KR102461933B1 - Gene delivery system for reconstruction or regeneration of chondrocytic tissue and method for differentiation to chondrocytes using the same - Google Patents

Gene delivery system for reconstruction or regeneration of chondrocytic tissue and method for differentiation to chondrocytes using the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 생분해성 고분자의 나노입자 상에, SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터; 및 덱사메타손을 결합시켜 얻어진, 연골조직 재건 또는 재생을 위한 유전자 전달체 및 이를 이용한 중간엽 줄기세포의 연골세포로의 분화방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 유전자 전달체로 형질감염된 중간엽 줄기세포를 포함하는 연골조직 재건 또는 재생을 위한 약학 조성물, 즉 세포 치료제를 제공한다.The present invention provides a plasmid vector comprising a SOX5 gene, a SOX6 gene, and a SOX9 gene on nanoparticles of a biodegradable polymer; And it provides a gene delivery system for cartilage tissue reconstruction or regeneration obtained by combining dexamethasone, and a method for differentiation of mesenchymal stem cells into chondrocytes using the same. In addition, the present invention provides a pharmaceutical composition for cartilage tissue reconstruction or regeneration comprising the mesenchymal stem cells transfected with the gene delivery agent, that is, a cell therapeutic agent.

Description

연골조직 재건 또는 재생을 위한 유전자 전달체 및 이를 이용한 연골세포로의 분화방법{Gene delivery system for reconstruction or regeneration of chondrocytic tissue and method for differentiation to chondrocytes using the same}Gene delivery system for reconstruction or regeneration of chondrocytic tissue and method for differentiation to chondrocytes using the same

본 발명은 연골조직 재건 또는 재생을 위한 유전자 전달체 및 이를 이용한 연골세포로의 분화방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 생분해성 고분자의 나노입자 상에, SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터; 및 덱사메타손을 결합시켜 얻어진, 연골조직 재건 또는 재생을 위한 유전자 전달체 및 이를 이용한 중간엽 줄기세포의 연골세포로의 분화방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 유전자 전달체로 형질감염된 중간엽 줄기세포를 포함하는 연골조직 재건 또는 재생을 위한 약학 조성물, 즉 세포 치료제에 관한 것이다.The present invention relates to a gene delivery system for cartilage tissue reconstruction or regeneration and a method for differentiation into chondrocytes using the same. More specifically, the present invention provides a plasmid vector comprising a SOX5 gene, a SOX6 gene, and a SOX9 gene on nanoparticles of a biodegradable polymer; And it relates to a gene delivery system for cartilage tissue reconstruction or regeneration obtained by combining dexamethasone, and a method for differentiation of mesenchymal stem cells into chondrocytes using the same. In addition, the present invention relates to a pharmaceutical composition for cartilage tissue reconstruction or regeneration comprising mesenchymal stem cells transfected with the gene delivery agent, that is, a cell therapeutic agent.

유전자 및 단백질과 같은 다양한 인자가 줄기세포 분화에 관여하며 또한 임상적 접근을 위한 높은 잠재성을 가지고 있다. 몇가지 유형의 유전자는 이와 관련되어 사용된 바 있다. 플라스미드 DNA(pDNA)는 암, 줄기세포 분화, 및 몇가지 게놈 질환에서의 유전자 전달을 위하여 사용되고 있다. 유전자 치료를 위하여, 두가지 유형의 유전자 전달 시스템이 안전하고 안정적인 전달을 위하여 사용되고 있다. 바이러스 벡터를 사용하는 담체 시스템은 매우 높은 형질감염 효율을 가지므로 유전자 전달에 널리 사용되고 있다. 그러나, 바이러스 벡터는 몇가지 단점, 즉 강한 면역원성, 숙주 염증 반응, 제작과정에서의 재조합, 및 발암성을 가지고 있어, 임상 적용에서 이의 사용은 제한적이다(Okada Y, et al. Adenovirus mediated IL-10 gene transfer to the airway of the rat lung for prevention of lung allograft rejection. Transpl Immuno 2006;16(2):95-8; Ye L, et al. Adeno-Associated Virus Vector Mediated Delivery of the HBV Genome Induces Chronic Hepatitis B Virus Infection and Liver Fibrosis in Mice. PLoS One 2015;10(6):e0130052). 상대적으로 낮은 형질감염 효율에도 불구하고, 유전자 치료를 위한 비-바이러스 벡터 시스템은 바이러스 벡터 시스템의 몇가지 단점을 극복할 수 있다(Saha S, et al. Evaluating the potential for undesired genomic effects of the piggyBac transposon system in human cells. Nucleic Acids Res 2015;43(3):1770-82; Dinda SC, et al. Nanobiotechnology-based drug delivery in brain targeting. Curr Pharm Biotechnol 2013;14(15):1264-74). 유전자 전달을 위하여 양이온성 중합체가 널리 사용된다(Durymanov MO, et al. Application of vasoactive and matrix-modifying drugs can improve polyplex delivery to tumors upon intravenous administration. J Control Release 2016;232:20-28; Yang Y, et al. Polymer Nanoparticles Modified with Photo- and pH-Dual-Responsive Polypeptides for Enhanced and Targeted Cancer Therapy. Mol Pharm 2016;13(5):1508-19; Ma C, et al. Water-Soluble Cationic Polyphosphazenes Grafted with Cyclic Polyamine and Imidazole as an Effective Gene Delivery Vector. Bioconjug Chem 2016;27(4):1005-12; Cong Y, et al. One-step Conjugation of Glycyrrhetinic Acid to Cationic Polymers for High-performance Gene Delivery to Cultured Liver Cell. Sci Rep 2016;6:21891). 유전자를 포함하는 양이온성 벡터는 제작하기 쉽고 저렴하다. 양이온성 중합체 중, 폴리에틸렌이민(polyethylenimine, PEI)은 강력한 유전자 담체로서 다양하게 사용되고 있으며, 이의 길이(분자량: 1.8-25 KDa) 및 형태(직쇄상 혹은 분지쇄상 형태)는 다양하다(Lipka J, et al. Biokinetic studies of non-complexed siRNA versus nano-sized PEI F25-LMW/siRNA polyplexes following intratracheal instillation into mice. Int J Pharm 2016;500(1-2):227-35; Thapa B, et al. Small hydrophobe substitution on polyethylenimine for plasmid DNA delivery: Optimal substitution is critical for effective delivery. Acta Biomater 2016;33:213-24; Park JS, et al. Receptor-mediated gene delivery into human mesenchymal stem cells using hyaluronic acid-shielded polyethylenimine/pDNA nanogels. Carbohydr Polym 2016;136:791-802).Various factors such as genes and proteins are involved in stem cell differentiation and have high potential for clinical approaches. Several types of genes have been used in this regard. Plasmid DNA (pDNA) has been used for gene delivery in cancer, stem cell differentiation, and several genomic diseases. For gene therapy, two types of gene delivery systems are being used for safe and stable delivery. A carrier system using a viral vector has a very high transfection efficiency and is therefore widely used for gene delivery. However, viral vectors have several drawbacks, namely strong immunogenicity, host inflammatory response, recombination in manufacturing, and carcinogenicity, which limits their use in clinical applications (Okada Y, et al. Adenovirus mediated IL-10). gene transfer to the airway of the rat lung for prevention of lung allograft rejection. Immuno 2006;16(2):95-8; Ye L, et al. Adeno-Associated Virus Vector Mediated Delivery of the HBV Genome Induces Chronic Hepatitis B Virus Infection and Liver Fibrosis in Mice. PLoS One 2015;10(6):e0130052). Despite the relatively low transfection efficiency, non-viral vector systems for gene therapy can overcome several shortcomings of viral vector systems (Saha S, et al. Evaluating the potential for undesired genomic effects of the piggyBac transposon system) Nucleic Acids Res 2015;43(3):1770-82;Dinda SC, et al. Nanobiotechnology-based drug delivery in brain targeting.C urr Pharm Biotechnol 2013;14(15):1264-74). Cationic polymers are widely used for gene delivery (Durymanov MO, et al. Application of vasoactive and matrix-modifying drugs can improve polyplex delivery to tumors upon intravenous administration. J Control Release 2016;232:20-28; Yang Y, et al. Polymer Nanoparticles Modified with Photo- and pH-Dual-Responsive Polypeptides for Enhanced and Targeted Cancer Therapy. Pharm 2016;13(5):1508-19; Ma C, et al. Water-Soluble Cationic Polyphosphazenes Grafted with Cyclic Polyamine and Imidazole as an Effective Gene Delivery Vector. Bioconjug Chem 2016;27(4):1005-12; Cong Y, et al. One-step Conjugation of Glycyrrhetinic Acid to Cationic Polymers for High-performance Gene Delivery to Cultured Liver Cell. Sci Rep 2016;6:21891). Cationic vectors containing genes are easy to construct and inexpensive. Among cationic polymers, polyethylenimine (PEI) has been used variously as a strong gene carrier, and its length (molecular weight: 1.8-25 KDa) and shape (straight-chain or branched-chain form) are various (Lipka J, et al. Biokinetic studies of non-complexed siRNA versus nano-sized PEI F25-LMW/siRNA polyplexes following intratracheal instillation into mice . substitution on polyethylenimine for plasmid DNA delivery: Optimal substitution is critical for effective delivery. Biomater 2016;33:213-24; Park JS, et al. Receptor-mediated gene delivery into human mesenchymal stem cells using hyaluronic acid-shielded polyethylenimine/pDNA nanogels. Carbohydr Polym 2016;136:791-802).

연골세포 분화(chondrogenesis)는 SOX5, SOX6, 및 SOX9 유전자를 포함한 복잡한 분자 네트워크에 의해 조절된다. SOX9은 연골세포 분화를 위해 필요한 가장 중요한 전사인자로서 작용한다(Liu CF, et al. The transcription factors SOX9 and SOX5/SOX6 cooperate genome-wide through super-enhancers to drive chondrogenesis. Nucleic Acids Res 2015;43(17):8183-203). 그럼에도 불구하고, SOX9 만으로는 불충분하며, SOX5 및 SOX6이 또한 연골세포 분화를 유도하기 위하여 필요하다(Szenasi T, et al. Hmgb1 can facilitate activation of the matrilin-1 gene promoter by Sox9 and L-Sox5/Sox6 in early steps of chondrogenesis. Biochim Biophys Act 2013;1829(10):1075-91). SOX5 및 SOX6는 제2형 콜라겐(type II collagen, COL II), aggrecan, 및 다른 연골세포 유전자에 있어서 연골세포-특이적인 인핸서 요소(enhancer elements)에 SOX9의 바인딩을 확보함으로써 SOX9의 전사 활성을 현저하게 증가시킨다(Lefebvre V, et al. A new long form of Sox5 (L-Sox5), Sox6 and Sox9 are coexpressed in chondrogenesis and cooperatively activate the type II collagen gene. EMBO J 1998;17(19):5718-33; Aza-Carmona M, et al. SHOX interacts with the chondrogenic transcription factors SOX5 and SOX6 to activate the aggrecan enhancer. Hum Mol Genet 2011;20(8):1547-59; Im GI, et al. Electroporation-mediated gene transfer of SOX trio to enhance chondrogenesis in adipose stem cells. Osteoarthritis Cartilage 2011;19(4):449-57).Chondrogenesis is regulated by a complex molecular network including the SOX5, SOX6, and SOX9 genes. SOX9 acts as the most important transcription factor required for chondrocyte differentiation (Liu CF, et al. The transcription factors SOX9 and SOX5/SOX6 cooperate genome-wide through super-enhancers to drive chondrogenesis. Nucleic Acids Res 2015;43(17) ):8183-203). Nevertheless, SOX9 alone is insufficient, and SOX5 and SOX6 are also required to induce chondrocyte differentiation (Szenasi T, et al. Hmgb1 can facilitate activation of the matrilin-1 gene promoter by Sox9 and L-Sox5/Sox6 in Early steps of chondrogenesis.Biochim Biophys Act 2013;1829(10): 1075-91 ). SOX5 and SOX6 significantly enhance the transcriptional activity of SOX9 by securing binding of SOX9 to chondrocyte-specific enhancer elements in type II collagen (COL II), aggrecan, and other chondrocyte genes. Lefebvre V, et al. A new long form of Sox5 (L-Sox5), Sox6 and Sox9 are coexpressed in chondrogenesis and cooperatively activate the type II collagen gene. EMBO J 1998;17(19):5718-33 Aza-Carmona M, et al. SHOX interacts with the chondrogenic transcription factors SOX5 and SOX6 to activate the aggrecan enhancer. Hum Mol Genet 2011;20(8):1547-59; Im GI, et al. of SOX trio to enhance chondrogenesis in adipose stem cells. Osteoarthritis Cartilage 2011;19(4):449-57).

본 발명자들은 이전의 연구에서 인간 중간엽 줄기세포의 연골세포 분화를 유도하기 위한 다중-유전자 전달 시스템(multiple-gene delivery system)의 능력을 시험한 바 있다(Park JS, et al. Chondrogenesis of human mesenchymal stem cells mediated by the combination of SOX trio SOX5, 6, and 9 genes complexed with PEI-modified PLGA nanoparticles. Biomaterials 2011;32(14):3679-88). 또한, 본 발명자들은 SOX5, SOX6, 및 SOX9을 단독으로 혹은 조합하여 hMSCs에 전달하여 연골세포 분화를 자극한 바 있으며, SOX5, SOX6, 및 SOX9가 동시에 전달된 경우 단독 혹은 두개의 유전자가 전달된 경우에 비하여 hMSCs의 연골세포 분화가 증진된다는 것을 보고한 바 있다(Yang HN, et al. Chondrogenesis of mesenchymal stem cells and dedifferentiated chondrocytes by transfection with SOX Trio genes. Biomaterials 2011;32(30):7695-704).The present inventors have previously tested the ability of a multiple-gene delivery system to induce chondrocyte differentiation of human mesenchymal stem cells (Park JS, et al. Chondrogenesis of human mesenchymal). stem cells mediated by the combination of SOX trio SOX5, 6, and 9 genes complexed with PEI-modified PLGA nanoparticles. Biomaterials 2011;32(14):3679-88). In addition, the present inventors have stimulated chondrocyte differentiation by delivering SOX5, SOX6, and SOX9 alone or in combination to hMSCs. Compared to that, it has been reported that chondrocyte differentiation of hMSCs is enhanced (Yang HN, et al. Chondrogenesis of mesenchymal stem cells and dedifferentiated chondrocytes by transfection with SOX Trio genes. Biomaterials 2011;32(30):7695-704).

본 발명자들은 중간엽 줄기세포 등을 포함한 성체 줄기세포로부터 연골세포로의 분화 효율을 높이기 위하여, SOX5, SOX6, 및 SOX9 유전자를 동시에 효과적으로 세포내로 전달하기 위한 방법을 개발하고자 다양한 연구를 수행하였다. 본 발명자들은 SOX5, SOX6, 및 SOX9의 조합이 연골세포로의 분화를 촉진할 수 있으나, 이들 복수의 유전자를 통상의 방법으로 세포내로 전달할 경우 각각의 유전자의 발현을 조정(regulate) 및 조절(control)하는 것이 곤란하다는 것에 주목하고 이러한 문제점을 극복하기 위하여 다양한 유전자 전달체를 시험하였다. 놀랍게도, 본 발명자들은 SOX5, SOX6, 및 SOX9 유전자 모두를 단일의 플라스미드에 삽입함으로써 다유전자성 플라스미드 벡터(polycistronic plasmid vector)의 제작이 가능하다는 것을 발견하였으며, 얻어진 다유전자성 플라스미드 벡터를 덱사메타손과 함께 나노 복합체 형태로 제작한 유전자 전달체가 효과적으로 중간엽 줄기세포 내부로 유입(uptake)될 뿐만 아니라, 상기 유전자 전달체가 유입된 중간엽 줄기세포가 높은 분화효율로 연골세포로 분화될 수 있다는 것을 발견하였다.The present inventors conducted various studies to develop a method for simultaneously and effectively delivering SOX5, SOX6, and SOX9 genes into cells in order to increase the efficiency of differentiation from adult stem cells, including mesenchymal stem cells, into chondrocytes. The present inventors have found that the combination of SOX5, SOX6, and SOX9 can promote differentiation into chondrocytes, but when a plurality of these genes are delivered into cells by a conventional method, the expression of each gene is regulated and controlled (control). ), and to overcome this problem, various gene delivery systems were tested. Surprisingly, the present inventors have found that it is possible to construct a polycistronic plasmid vector by inserting all of the SOX5, SOX6, and SOX9 genes into a single plasmid. It was found that not only the gene delivery system prepared in the complex form was efficiently uptaked into the mesenchymal stem cells, but also the mesenchymal stem cells into which the gene delivery agent was introduced could be differentiated into chondrocytes with high differentiation efficiency.

따라서, 본 발명은 SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터; 및 덱사메타손이 결합된 나노입자 형태를 갖는, 연골조직 재건 또는 재생을 위한 유전자 전달체를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention provides a plasmid vector comprising a SOX5 gene, a SOX6 gene, and a SOX9 gene; And it aims to provide a gene delivery system for cartilage tissue reconstruction or regeneration, having a form of nanoparticles bound to dexamethasone.

또한, 본 발명은 상기 유전자 전달체를 사용한 중간엽 줄기세포의 연골세포로의 분화방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for differentiation of mesenchymal stem cells into chondrocytes using the gene delivery system.

또한, 본 발명은 상기 유전자 전달체가 도입된 중간엽 줄기세포를 포함하는, 연골조직 재건 또는 재생용 약학 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a pharmaceutical composition for cartilage tissue reconstruction or regeneration, comprising mesenchymal stem cells into which the gene delivery system is introduced.

본 발명의 일 태양에 따라, 생분해성 고분자의 나노입자 상에, SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터; 및 덱사메타손을 결합시켜 얻어진, 연골조직 재건 또는 재생을 위한 유전자 전달체가 제공된다.According to an aspect of the present invention, a plasmid vector comprising a SOX5 gene, a SOX6 gene, and a SOX9 gene on nanoparticles of a biodegradable polymer; And a gene delivery system for cartilage tissue reconstruction or regeneration obtained by binding dexamethasone is provided.

본 발명의 유전자 전달체에 있어서, 상기 생분해성 고분자의 나노입자와 덱사메타손과의 결합은 (a) 카르복실기를 갖는 생분해성 고분자의 나노입자 및 덱사메타손을 수-비혼화성 유기용매 중에 용해시키는 단계; (b) 단계(a)에서 얻어진 용액에 폴리비닐알코올 수용액을 첨가한 다음, 초음파처리하여 에멀젼을 형성시키는 단계; 및 (c) 단계(b)에서 얻어진 에멀젼을 이소프로판올 및 폴리비닐알코올을 함유하는 수용액에 첨가하고, 교반 및 건조하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 수행될 수 있다.In the gene delivery system of the present invention, the binding of the nanoparticles of the biodegradable polymer to dexamethasone is (a) dissolving the nanoparticles and dexamethasone of the biodegradable polymer having a carboxyl group in a water-immiscible organic solvent; (b) adding an aqueous polyvinyl alcohol solution to the solution obtained in step (a), followed by sonication to form an emulsion; and (c) adding the emulsion obtained in step (b) to an aqueous solution containing isopropanol and polyvinyl alcohol, and stirring and drying.

상기 생분해성 고분자의 나노입자 및 플라스미드 벡터와의 결합은, 덱사메타손이 결합된 카르복실기를 갖는 생분해성 고분자의 나노입자를 폴리에틸렌이민과 반응시킨 후, 상기 SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터를 반응시킴으로써 수행될 수 있다.The binding of the biodegradable polymer to the nanoparticles and the plasmid vector is performed by reacting the nanoparticles of the biodegradable polymer having a carboxyl group to which dexamethasone is bound with polyethyleneimine, and then the SOX5 gene, the SOX6 gene, and the plasmid comprising the SOX9 gene It can be carried out by reacting the vector.

상기 생분해성 고분자는 폴리락트산, 락트산과 글리콜산의 공-중합체, 폴리카프로락톤, 락타이드와 1,4-디옥산-2-온의 공-중합체, 카프로락톤과 글리콜산의 공-중합체, 카프로락톤과 락트산의 공-중합체, 폴리오르토에스테르, 폴리안하이드라이드, 폴리포스포아미드(polyphosphoramides), 폴리아미노산, 및 폴리우레탄과 폴리에틸렌글리콜의 블록 공-중합체로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 락트산과 글리콜산의 공-중합체[poly(lactic-co-glycolic acid)]일 수 있다.The biodegradable polymer is polylactic acid, a co-polymer of lactic acid and glycolic acid, polycaprolactone, a co-polymer of lactide and 1,4-dioxan-2-one, a co-polymer of caprolactone and glycolic acid, caprolactone It may be selected from the group consisting of co-polymers of lactone and lactic acid, polyorthoesters, polyanhydrides, polyphosphoramides, polyamino acids, and block co-polymers of polyurethane and polyethylene glycol, preferably may be a co-polymer of lactic acid and glycolic acid [poly(lactic-co-glycolic acid)].

상기 SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터는 생분해성 고분자 1g에 대하여 0.5 ∼ 10 mg 비율의 범위로 결합될 수 있으며, 상기 덱사메타손은 생분해성 고분자 1g에 대하여 5 ∼ 20 mg 비율의 범위로 결합될 수 있다.The SOX5 gene, the SOX6 gene, and the plasmid vector containing the SOX9 gene may be bound in a ratio of 0.5 to 10 mg with respect to 1 g of the biodegradable polymer, and the dexamethasone is contained in a ratio of 5 to 20 mg with respect to 1 g of the biodegradable polymer. range can be combined.

본 발명의 다른 태양에 따라, 상기 유전자 전달체로 중간엽 줄기세포를 형질감염시키는 것을 포함하는, 중간엽 줄기세포의 연골세포로의 분화방법이 제공된다. 상기 형질감염은 상기 유전자 전달체를 포함하는 무혈청 배지 중에서 중간엽 줄기세포를 배양을 수행함으로써 수행될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for differentiation of mesenchymal stem cells into chondrocytes, comprising transfecting the mesenchymal stem cells with the gene delivery system. The transfection may be performed by culturing the mesenchymal stem cells in a serum-free medium containing the gene carrier.

본 발명의 또다른 태양에 따라, 상기 유전자 전달체로 형질감염된 중간엽 줄기세포를 포함하는, 연골조직 재건 또는 재생용 약학 조성물이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a pharmaceutical composition for cartilage tissue reconstruction or regeneration comprising mesenchymal stem cells transfected with the gene delivery agent.

SOX5, SOX6, 및 SOX9 유전자 모두를 단일의 플라스미드에 삽입함으로써 다유전자성 플라스미드 벡터(polycistronic plasmid vector)의 제작이 가능하다는 것이 본 발명에 의해 밝혀졌다. 또한, 상기 다유전자성 플라스미드 벡터를 덱사메타손과 함께 본 발명에 따라 나노 복합체 형태로 제작한 유전자 전달체가 효과적으로 중간엽 줄기세포 내부로 유입(uptake)될 뿐만 아니라, 상기 유전자 전달체가 유입된 중간엽 줄기세포가 높은 분화효율로 연골세포로 분화될 수 있다는 것이 본 발명에 의해 밝혀졌다. 따라서, 상기 유전자 전달체는 중간엽 줄기세포의 연골세포로의 분화에 유용하게 사용될 수 있으며, 나아가 상기 유전자 전달체가 도입된 중간엽 줄기세포는 연골조직 재건 또는 재생을 위한 약학 조성물, 즉 세포 치료제로서 유용하게 사용될 수 있다.It was found by the present invention that a polycistronic plasmid vector can be constructed by inserting all of the SOX5, SOX6, and SOX9 genes into a single plasmid. In addition, the gene delivery system prepared in the form of a nanocomposite according to the present invention with the polygenic plasmid vector together with dexamethasone is effectively uptaken into the mesenchymal stem cells, as well as mesenchymal stem cells into which the gene delivery agent is introduced. It was found by the present invention that can be differentiated into chondrocytes with high differentiation efficiency. Accordingly, the gene delivery system can be usefully used for the differentiation of mesenchymal stem cells into chondrocytes, and further, the mesenchymal stem cells into which the gene delivery system is introduced are useful as a pharmaceutical composition for cartilage tissue reconstruction or regeneration, that is, as a cell therapeutic agent. can be used

도 1은 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs의 크기 분포, SEM 이미지, 및 ζ-포텐셜을 나타낸다.
도 1의 A는 동적 빛 산란 및 SEM 이미지를 나타낸다. a, d: DEX-loaded NPs, b, e: PEI-modified DEX-loaded NPs, c, f: 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. 스케일 바(Scale bar): 500 nm.
도 1의 B는 ζ-포텐셜 분석 결과를 나타낸다. a: pDNA(다유전자성 SOX 유전자 단독), b: PEI, c: DEX-loaded NPs, d: PEI-modified DEX-loaded NPs, e: 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs.
도 2는 3개의 SOX 유전자를 포함하는 다유전자성 플라스미드의 제작 및 제한효소 분해에 의한 확인을 나타낸다. 도 2의 A는 다유전자성 SOX 플라스미드의 유전자 지도이고, 도 2의 B는 다유전자성 SOX 유전자 기능의 확인을 나타내고, 도 2의 C는 단일 SOX 유전자 및 다유전자성 SOX 유전자로 형질전환된 세포에서의 발현 수준을 나타낸다.
도 3은 FACS 및 공초점 레이저 현미경에 의해 측정한, 시험관내에서 hMSCs에 의한 다유전자성 SOX 유전자의 세포유입을 나타낸다.
도 3의 A는 FACS 분석 결과를 나타낸다. a: 다유전자성 SOX 유전자의 용량-의존적인 세포내 유입. b: 다유전자성 SOX 유전자의 시간-의존적인 세포내 유입.
도 3의 B는 공초점 레이저 현미경 분석 결과를 나타낸다. a: 대조군 세포, b: TRITC-컨쥬게이티드 DEX-loaded NPs로 6시간 동안 처리된 세포. 바(Bars): 20 μm. b-1: hMSCs의 세포질에서 TRITC-컨쥬게이티드 DEX-loaded NPs의 검출. b-2: hMSCs의 초기 엔도좀 염색. b-3: 중첩 이미지(Merged images) 바(Bars): 20 μm.
도 3의 C는 세포막을 통한 TRITC-컨쥬게이티드 DEX-loaded NPs의 세포내 유입을 측정한 결과를 나타낸다. a: 0.5 시간, b: 1 시간, c: 4 시간, 및 d: 6 시간 바(Bars): 20 μm.
도 4는 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 형질전환된 hMSCs의 웨스턴 블럿 분석 및 면역조직학적 분석을 나타낸다.
도 4의 A는 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 형질전환된 hMSCs의 웨스턴 블럿 분석결과를 나타낸다.
도 4의 B는 단일 유전자 혹은 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 형질감염된 hMSCs의 면역조직학적 분석 결과를 나타낸다. a-d: SOX5 단일 유전자, e-h) SOX6 단일 유전자, i-l: SOX9 단일 유전자. m-p: 다유전자성 SOX 유전자. 에머랄드, 적색, 및 녹색은 각각 SOX5, SOX6, 및 SOX9 단백질을 나타낸다. 바(Bars): 20 μm.
도 5는 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 형질감염된 hMSCs의 연골세포 분화를 나타낸다.
도 5의 A는 RT-PCR 분석 결과를 나타낸다.
도 5의 B는 RT-PCR에 의한 성숙 연골세포-관련 마커 유전자의 검출 결과를 나타낸다. a: 대조군, b: 빈(mock) pDNA-coated DEX-loaded NPs, c: PEI를 사용하여 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드, d: 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs.
도 5의 C는 GAG/DNA 분석 결과를 나타낸다.
도 5의 D는 다유전자성 SOX 플라스미드로 형질감염된 hMSCs의 조직학적 분석 결과를 나타낸다. a, e, i: 대조군; b, f, j: 빈(mock) pDNA-coated DEX-loaded NPs; c, g, k: PEI를 사용하여 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드; d, h, l: 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. a-d: 알시안 블루 염색, e-h: 사프라닌-O 염색, i-l: 마손 트리크롬 염색.
도 5의 E는 마손 트리크롬 염색 이미지의 확대. a: 대조군, b: 빈(mock) pDNA-coated DEX-loaded NPs, c: PEI를 사용하여 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드, d: 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. 바(Bars): 20 μm.
도 6은 3D 배양에서 다유전자성 SOX pDNAcoated DEX-loaded NPs로 형질감염된 hMSCs의 연골세포 분화를 나타낸다.
도 6의 A는 성숙 연골세포와 관련된 특이적 마커 유전자의 RT-PCR 분석 결과를 나타낸다. a: 대조군, b: 빈(mock) pDNA-coated DEX-loaded NPs, c: PEI를 사용하여 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드, d: 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs.
도 6의 B는 실시간 qPCR에 의한 성숙 연골세포와 관련된 특이적 마커 유전자의 정량분석 결과를 나타낸다. a: SOX9, b: COMP, c: COL II, d: aggrecan.
도 7은 3D 배양에서 다유전자성 SOX pDNAcoated DEX-loaded NPs로 형질감염된 hMSCs의 연골세포 분화의 GAG 분석 및 조직학적 분석을 나타낸다.
도 7의 A는 GAG/DNA 분석 결과를 나타낸다. * P<0.01; **P<0.001.
도 7의 B는 다유전자성 SOX 플라스미드로 형질감염된 hMSCs의 조직학적 분석 결과를 나타낸다. a, e: 대조군; b, f: 빈(mock) pDNA-coated DEX-loaded NPs; c, g: PEI를 사용하여 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드; d, h: 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. a-d: 사프라닌-O 염색; e-h: 알시안 블루 염색; m, n: 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 처리된 세포의 사프라닌-O 및 알시안 블루 염색의 확대 이미지. 바(Bar): 10 μm.
도 8은 3D 배양에서 다유전자성 SOX pDNAcoated DEX-loaded NPs로 형질감염된 hMSCs의 연골세포 분화의 웨스턴 블롯 분석 및 면역조직학적 분석을 나타낸다.
도 8의 A는 웨스턴 블롯 분석 결과를 나타낸다. a: 대조군, b: 빈(mock) pDNA-coated DEX-loaded NPs, c: PEI를 사용하여 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드, d: 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs.
도 8의 B는 다유전자성 SOX 플라스미드로 형질감염된 hMSCs의 면역조직학적 분석 결과를 나타낸다. a, e, i: 대조군; b, f, j: 빈(mock) pDNA-coated DEX-loaded NPs; c, g, k: PEI를 사용하여 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드; d, h, l: 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. a-d: COL II, e-h: SOX9, i-l: 중첩 이미지(Merged images). 바(Bars): 20 μm.
도 9는 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs의 모식 다이어그램(Schematic diagram)을 나타낸다. 형질감염시 나노입자의 폴리플렉스(polyplexes)가 엔도사이토시스에 의해 hMSCs로 유입되고, 엔도좀을 빠져나와, 세포질에 편재되어 hMSCs의 분화를 유도한다.
도 10 및 도 11은 각각 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 형질전환된 293T 및 HeLa 세포의 웨스턴 블럿 분석 및 면역조직학적 분석을 나타낸다.
도 12는 pDNA와 결합된 전달 비히클의 세포독성을 측정하여 얻어진 결과를 나타낸다.
도 13은 PEI를 사용하여 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드 또는 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 처리된 hMSCs에서 성숙 연골세포를 나타내는 연골소강을 알시안 블루 및 사프라닌-O 염색을 통하여 관찰한 결과를 나타낸다. 도 A 및 B에서, a는 Non-transfected hMSCs, b는 pDNA Complexed PEI coated DEX-NPs 처리된 hMSCs, c는 poly SOX-Trio Complexed PEI 처리된 hMSCs, d는 poly SOX-Trio Complexed PEI coated DEX-NPs 처리된 hMSCs를 각각 나타낸다.
도 14는 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 처리된 hMSCs에서 연골 조직의 ECM 성분인 프로테오글리칸 및 폴리사카라이드 생성을 H&E 염색을 통하여 관찰한 결과를 나타낸다. 도 14에서 a는 Non-transfected hMSCs, b는 pDNA Complexed PEI coated DEX-NPs 처리된 hMSCs, c는 poly SOX-Trio Complexed PEI 처리된 hMSCs, d는 poly SOX-Trio Complexed PEI coated DEX-NPs 처리된 hMSCs를 각각 나타낸다.
도 15는 hMSCs에 다유전자성 SOX 트리오 pDNA-coated DEX-loaded NPs 혹은 PEI를 사용하여 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드를 처리하였을 때, 세포 펠렛을 DAB 염색으로 관찰한 결과를 나타낸다.
1 shows the size distribution, SEM image, and ζ-potential of polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs.
1A shows dynamic light scattering and SEM images. a, d: DEX-loaded NPs, b, e: PEI-modified DEX-loaded NPs, c, f: polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. Scale bar: 500 nm.
1B shows the ζ-potential analysis result. a: pDNA (polygenic SOX gene alone), b: PEI, c: DEX-loaded NPs, d: PEI-modified DEX-loaded NPs, e: polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs.
2 shows the construction of a polygenic plasmid containing three SOX genes and confirmation by restriction enzyme digestion. Fig. 2A is a genetic map of the polygenic SOX plasmid, Fig. 2B shows the confirmation of polygenic SOX gene function, and Fig. 2C is a single SOX gene and cells transformed with the polygenic SOX gene represents the expression level in .
Figure 3 shows the cellular uptake of polygenic SOX genes by hMSCs in vitro, as measured by FACS and confocal laser microscopy.
3A shows the results of FACS analysis. a: Dose-dependent intracellular uptake of polygenic SOX gene. b: Time-dependent intracellular entry of the polygenic SOX gene.
3B shows the results of confocal laser microscopy. a: control cells, b: cells treated with TRITC-conjugated DEX-loaded NPs for 6 hours. Bars: 20 μm. b-1: Detection of TRITC-conjugated DEX-loaded NPs in the cytoplasm of hMSCs. b-2: Early endosome staining of hMSCs. b-3: Merged images Bars: 20 μm.
3C shows the result of measuring the intracellular influx of TRITC-conjugated DEX-loaded NPs through the cell membrane. a: 0.5 h, b: 1 h, c: 4 h, and d: 6 h Bars: 20 μm.
4 shows Western blot analysis and immunohistological analysis of hMSCs transformed with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs.
4A shows the results of Western blot analysis of hMSCs transformed with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs.
4B shows the results of immunohistological analysis of hMSCs transfected with single gene or polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. ad: SOX5 single gene, eh) SOX6 single gene, il: SOX9 single gene. mp: polygenic SOX gene. Emerald, red, and green represent SOX5, SOX6, and SOX9 proteins, respectively. Bars: 20 μm.
Figure 5 shows chondrocyte differentiation of hMSCs transfected with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs.
5A shows the results of RT-PCR analysis.
5B shows the detection results of mature chondrocyte-related marker genes by RT-PCR. a: control, b: mock pDNA-coated DEX-loaded NPs, c: polygenic SOX plasmid bound using PEI, d: polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs.
5C shows the results of GAG/DNA analysis.
5D shows the results of histological analysis of hMSCs transfected with the polygenic SOX plasmid. a, e, i: control; b, f, j: mock pDNA-coated DEX-loaded NPs; c, g, k: polygenic SOX plasmid linked using PEI; d, h, l: polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. ad: Alcian blue staining, eh: Safranin-O staining, il: Masson trichrome staining.
Figure 5E is an enlarged image of Masson's trichrome staining. a: control, b: mock pDNA-coated DEX-loaded NPs, c: polygenic SOX plasmid bound using PEI, d: polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. Bars: 20 μm.
6 shows chondrocyte differentiation of hMSCs transfected with polygenic SOX pDNAcoated DEX-loaded NPs in 3D culture.
6A shows the results of RT-PCR analysis of specific marker genes associated with mature chondrocytes. a: control, b: mock pDNA-coated DEX-loaded NPs, c: polygenic SOX plasmid bound using PEI, d: polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs.
6B shows the results of quantitative analysis of specific marker genes related to mature chondrocytes by real-time qPCR. a: SOX9, b: COMP, c: COL II, d: aggrecan.
7 shows GAG analysis and histological analysis of chondrocyte differentiation of hMSCs transfected with polygenic SOX pDNAcoated DEX-loaded NPs in 3D culture.
7A shows the results of GAG/DNA analysis. *P<0.01;**P<0.001.
7B shows the results of histological analysis of hMSCs transfected with the polygenic SOX plasmid. a, e: control; b, f: mock pDNA-coated DEX-loaded NPs; c, g: polygenic SOX plasmid bound using PEI; d, h: polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. ad: safranin-O staining; eh: Alcian blue dyeing; m, n: Magnified images of safranin-O and alcian blue staining of cells treated with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. Bar: 10 μm.
Figure 8 shows Western blot analysis and immunohistological analysis of chondrocyte differentiation of hMSCs transfected with polygenic SOX pDNAcoated DEX-loaded NPs in 3D culture.
8A shows the results of Western blot analysis. a: control, b: mock pDNA-coated DEX-loaded NPs, c: polygenic SOX plasmid bound using PEI, d: polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs.
FIG. 8B shows the results of immunohistological analysis of hMSCs transfected with the polygenic SOX plasmid. a, e, i: control; b, f, j: mock pDNA-coated DEX-loaded NPs; c, g, k: polygenic SOX plasmid linked using PEI; d, h, l: polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. ad: COL II, eh: SOX9, il: Merged images. Bars: 20 μm.
9 shows a schematic diagram of polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. Upon transfection, nanoparticle polyplexes enter hMSCs by endocytosis, exit the endosome, and localize in the cytoplasm to induce differentiation of hMSCs.
10 and 11 show Western blot analysis and immunohistological analysis of 293T and HeLa cells transformed with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs, respectively.
12 shows the results obtained by measuring the cytotoxicity of the delivery vehicle bound to pDNA.
Figure 13 shows Alcian Blue and Safranin-O staining of chondrocytes representing mature chondrocytes in hMSCs treated with polygenic SOX plasmid or polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs bound using PEI. It shows the results of observation. In Figures A and B, a is Non-transfected hMSCs, b is pDNA Complexed PEI coated DEX-NPs-treated hMSCs, c is poly SOX-Trio Complexed PEI-treated hMSCs, d is poly SOX-Trio Complexed PEI coated DEX-NPs Treated hMSCs are shown respectively.
14 shows the results of observing the production of proteoglycans and polysaccharides, which are ECM components of cartilage tissue, in hMSCs treated with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs through H&E staining. In FIG. 14, a is Non-transfected hMSCs, b is pDNA Complexed PEI coated DEX-NPs-treated hMSCs, c is poly SOX-Trio Complexed PEI-treated hMSCs, d is poly SOX-Trio Complexed PEI coated DEX-NPs-treated hMSCs represent each.
15 shows the results of observing cell pellets by DAB staining when hMSCs were treated with polygenic SOX plasmids bound using polygenic SOX trio pDNA-coated DEX-loaded NPs or PEI.

본 발명은 생분해성 고분자의 나노입자 상에, SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터; 및 덱사메타손을 결합시켜 얻어진, 연골조직 재건 또는 재생을 위한 유전자 전달체를 제공한다.The present invention provides a plasmid vector comprising a SOX5 gene, a SOX6 gene, and a SOX9 gene on nanoparticles of a biodegradable polymer; And it provides a gene delivery system for cartilage tissue reconstruction or regeneration obtained by binding dexamethasone.

본 발명에 따른 유전자 전달체는 생분해성 고분자의 나노입자를 담체로 사용하며, 분화를 유도하는 플라스미드 벡터(즉, SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터) 및 덱사메타손가 나노입자 표면에 결합되어 형성된다. 상기 "나노입자"에 있어서, 그 형태는 통상 구형 즉, 나노스피어(nanosphere)이나, 특별히 제한되는 것은 아니다. 또한, 나노입자의 크기는 예를 들어, 10∼300 nm, 바람직하게는 50∼150 nm의 범위일 수 있다.The gene delivery system according to the present invention uses nanoparticles of a biodegradable polymer as a carrier, and a plasmid vector inducing differentiation (ie, a plasmid vector including SOX5 gene, SOX6 gene, and SOX9 gene) and dexamethasone bind to the surface of the nanoparticles is formed In the "nanoparticle", the shape is usually spherical, that is, a nanosphere, but is not particularly limited. Also, the size of the nanoparticles may be, for example, in the range of 10 to 300 nm, preferably 50 to 150 nm.

상기 생분해성 고분자는 폴리락트산, 락트산과 글리콜산의 공-중합체, 폴리카프로락톤, 락타이드와 1,4-디옥산-2-온의 공-중합체, 카프로락톤과 글리콜산의 공-중합체, 카프로락톤과 락트산의 공-중합체, 폴리오르토에스테르[poly(ortho esters)], 폴리안하이드라이드(polyanhydrides), 폴리포스포아미드(polyphosphoramides), 폴리아미노산[poly(amino acids)], 및 폴리우레탄과 폴리에틸렌글리콜의 블록 공-중합체(polyurethane-PEG block copolymer)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 락트산과 글리콜산의 공-중합체[poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA]일 수 있다. The biodegradable polymer is polylactic acid, a co-polymer of lactic acid and glycolic acid, polycaprolactone, a co-polymer of lactide and 1,4-dioxan-2-one, a co-polymer of caprolactone and glycolic acid, caprolactone Co-polymers of lactone and lactic acid, poly(ortho esters), polyanhydrides, polyphosphoramides, polyamino acids [poly(amino acids)], and polyurethane and polyethylene It may be selected from the group consisting of a block copolymer of glycol (polyurethane-PEG block copolymer), and preferably a copolymer of lactic acid and glycolic acid [poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA].

본 발명의 유전자 전달체에 있어서, 상기 생분해성 고분자의 나노입자와 덱사메타손과의 결합은 수중유중수(water-in-oil-in-water) 용매증발법을 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 생분해성 고분자의 나노입자와 덱사메타손과의 결합은 (a) 카르복실기를 갖는 생분해성 고분자의 나노입자(예를 들어, 락트산과 글리콜산의 공-중합체로 구성된 나노입자) 및 덱사메타손을 수-비혼화성 유기용매 중에 용해시키는 단계; (b) 단계(a)에서 얻어진 용액에 폴리비닐알코올 수용액을 첨가한 다음, 초음파처리하여 에멀젼을 형성시키는 단계; 및 (c) 단계(b)에서 얻어진 에멀젼을 이소프로판올 및 폴리비닐알코올을 함유하는 수용액에 첨가하고, 교반 및 건조하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 수행될 수 있다. 단계(a)에 있어서, 상기 덱사메타손은 상기 카르복실기를 갖는 생분해성 고분자의 나노입자 1 g에 대하여 5 ∼ 20 mg, 바람직하게는 약 10 mg의 비율로 사용될 수 있다. 또한, 상기 수-비혼화성 유기용매는 메틸렌 클로라이드, 클로로포름 등일 수 있으며, 상기 용해는 초음파처리 및/또는 교반에 의해 수행될 수 있다. 단계(b)에 있어서, 상기 폴리비닐알코올 수용액 중의 폴리비닐알코올의 농도는 약 2%(w/v)일 수 있으며, 그 사용량은 단계(a)에서 사용된 메틸렌 클로라이드의 양의 약 0.5 배의 양으로 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 단계(c)의 이소프로판올 및 폴리비닐알코올을 함유하는 수용액은 예를 들어 약 2% 이소프로판올을 함유하는 약 1% (w/v) 폴리비닐알코올 수용액일 수 있으며, 그 사용량은 단계(a)에서 사용된 메틸렌 클로라이드의 양의 약 2 내지 4배의 양으로 사용될 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다.In the gene delivery system of the present invention, the binding of the nanoparticles of the biodegradable polymer to dexamethasone may be performed using a water-in-oil-in-water solvent evaporation method. For example, the binding of the nanoparticles of the biodegradable polymer to dexamethasone is (a) nanoparticles of a biodegradable polymer having a carboxyl group (for example, nanoparticles composed of a co-polymer of lactic acid and glycolic acid) and dexamethasone dissolving in a water-immiscible organic solvent; (b) adding an aqueous polyvinyl alcohol solution to the solution obtained in step (a), followed by sonication to form an emulsion; and (c) adding the emulsion obtained in step (b) to an aqueous solution containing isopropanol and polyvinyl alcohol, and stirring and drying. In step (a), the dexamethasone may be used in a ratio of 5 to 20 mg, preferably about 10 mg, based on 1 g of the nanoparticles of the biodegradable polymer having the carboxyl group. In addition, the water-immiscible organic solvent may be methylene chloride, chloroform, or the like, and the dissolution may be performed by sonication and/or stirring. In step (b), the concentration of polyvinyl alcohol in the aqueous polyvinyl alcohol solution may be about 2% (w/v), and the amount used is about 0.5 times the amount of methylene chloride used in step (a). It may be used in an amount, but is not limited thereto. The aqueous solution containing isopropanol and polyvinyl alcohol of step (c) may be, for example, about 1% (w/v) polyvinyl alcohol aqueous solution containing about 2% isopropanol, the amount used in step (a) It can be used in an amount of about 2 to 4 times the amount of methylene chloride, but is not limited thereto.

또한, 상기 플라스미드 벡터는 적절한 프라이머 및 제한효소를 사용한 유전공학적 방법에 의해 제작될 수 있다. 예를 들어, SW1353 연골암 세포주(SW1353 chondrosarcoma cell line)의 총 RNA을 역전사효소와 oligo dT 프라이머를 이용하여 cDNA를 합성한 다음, hSOX5 특이적 프라이머를 이용하여 중합효소연쇄반응(PCR)을 실시한 후, PCR 산물을 적절한 제한효소를 사용하여 통상의 벡터(예를 들어 pcDNA3.1/hyg 벡터)에 접합시켜 hSOX5 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터를 제작한 후, 이어서 hSOX6 특이적 프라이머 및 hSOX9 특이적 프라이머를 이용하여 중합효소연쇄반응을 추가로 실시한 후, PCR 산물을 적절한 제한효소를 사용하여 접합함으로써, 다유전자성 SOX 플라스미드(polycistronic SOX plasmid) 발현 벡터를 제작할 수 있다.In addition, the plasmid vector can be constructed by a genetic engineering method using appropriate primers and restriction enzymes. For example, cDNA is synthesized from total RNA of SW1353 chondrosarcoma cell line using reverse transcriptase and oligo dT primer, and then polymerase chain reaction (PCR) is performed using hSOX5-specific primer. , The PCR product was conjugated to a conventional vector (eg pcDNA3.1/hyg vector) using an appropriate restriction enzyme to construct a plasmid vector containing the hSOX5 gene, followed by hSOX6-specific primers and hSOX9-specific primers A polycistronic SOX plasmid expression vector can be prepared by additionally carrying out a polymerase chain reaction using the plasmid, and then conjugating the PCR product using an appropriate restriction enzyme.

SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자, 바람직하게는 인간 SOX5 유전자(hSOX5 유전자), 인간 SOX6 유전자(hSOX6 유전자), 및 인간 SOX9 유전자(hSOX9 유전자)는 모두 진뱅크(Gene Bank) 등에 공지되어 있으며, 분화된 연골 조직의 중요한 마커인 콜라겐 타입 II 발현을 유도하고 유지시키는데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. hSOX5 유전자는 7개의 변이체(veriants)가 존재하는 것으로 알려져 있으며, hSOX6 유전자는 4개의 변이체(veriants)가 존재하는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 유전자 전달체는 이들 변이체 유전자를 제한 없이 사용할 수 있다. hSOX9는 HMG(high mobility group) box 단백질의 SRY-형 계에 속하는 전사인자이다. SOX9 발현은 전구-연골(prechondrogenic) 중간엽에서 시작되며, 완전히 분화된 연골세포에서 높은 수준으로 유지된다.SOX5 gene, SOX6 gene, and SOX9 gene, preferably human SOX5 gene (hSOX5 gene), human SOX6 gene (hSOX6 gene), and human SOX9 gene (hSOX9 gene) are all known from Gene Bank et al. It is known to play an important role in inducing and maintaining the expression of collagen type II, an important marker of differentiated cartilage tissue. The hSOX5 gene is known to exist seven variants (veriants), and the hSOX6 gene is known to exist four variants (veriants). The gene delivery system of the present invention can use these mutant genes without limitation. hSOX9 is a transcription factor belonging to the SRY-type family of high mobility group (HMG) box proteins. SOX9 expression initiates in the prechondrogenic mesenchymal and is maintained at high levels in fully differentiated chondrocytes.

상기 생분해성 고분자의 나노입자 및 플라스미드 벡터와의 결합은, 덱사메타손이 결합된 카르복실기를 갖는 생분해성 고분자의 나노입자(예를 들어, 락트산과 글리콜산의 공-중합체로 구성된 나노입자로서 덱사메타손이 결합된 나노입자)를 폴리에틸렌이민과 반응시킨 후, 상기 SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터를 반응시킴으로써 수행될 수 있다.The binding of the biodegradable polymer to the nanoparticles and the plasmid vector is a biodegradable polymer nanoparticle having a carboxyl group to which dexamethasone is bound (for example, a co-polymer of lactic acid and glycolic acid as nanoparticles composed of dexamethasone bound nanoparticles) with polyethyleneimine, and then reacting with a plasmid vector including the SOX5 gene, SOX6 gene, and SOX9 gene.

상기와 같이 얻어진 덱사메타손이 결합된 카르복실기를 갖는 생분해성 고분자의 나노입자를 폴리에틸렌이민과 반응시키면, 나노입자의 표면 전하가 바뀌어 양이온(cation)으로 전환되게 되며, 상기 플라스미드 벡터와 정전기적 결합을 형성할 수 있게 된다. 상기 폴리에틸렌이민의 사용량은 크게 제한되는 것은 아니나, 카르복실기를 갖는 생분해성 고분자의 나노입자 500 ㎍에 대하여 0.5∼5 ㎍의 비율로 사용될 수 있다. 상기 폴리에틸렌이민과의 반응에 의해 얻어진 생분해성 고분자의 나노입자와 상기 플라스미드 벡터와의 반응은 수성 매질(예를 들어, 증류수 등) 내에서 수행될 수 있다.When the nanoparticles of a biodegradable polymer having a carboxyl group bound to dexamethasone obtained as described above are reacted with polyethyleneimine, the surface charge of the nanoparticles is changed and converted into cations, and an electrostatic bond with the plasmid vector is formed. be able to The amount of the polyethyleneimine used is not particularly limited, but may be used in a ratio of 0.5 to 5 μg with respect to 500 μg of nanoparticles of a biodegradable polymer having a carboxyl group. The reaction between the nanoparticles of the biodegradable polymer obtained by the reaction with the polyethyleneimine and the plasmid vector may be performed in an aqueous medium (eg, distilled water, etc.).

본 발명의 유전자 전달체에 있어서, 상기 SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터 및 덱사메타손 각각의 사용량은 유전자 전달체에 의한 연골세포로의 선택적인 분화효율을 감안하여 정해질 수 있다. 바람직하게는, 상기 SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터는 생분해성 고분자 1g에 대하여 0.5 ∼ 10 mg 비율의 범위로 결합될 수 있으며, 상기 덱사메타손은 생분해성 고분자 1g에 대하여 5 ∼ 20 mg 비율의 범위로 결합될 수 있다.In the gene delivery system of the present invention, the amount of each of the plasmid vector and dexamethasone containing the SOX5 gene, SOX6 gene, and SOX9 gene may be determined in consideration of the selective differentiation efficiency into chondrocytes by the gene delivery system. Preferably, the SOX5 gene, the SOX6 gene, and the plasmid vector containing the SOX9 gene may be bound in a ratio of 0.5 to 10 mg with respect to 1 g of the biodegradable polymer, and the dexamethasone is 5 to with respect to 1 g of the biodegradable polymer. It can be combined in the range of 20 mg ratio.

본 발명에 따른 유전자 전달체는 엔도사이토시스에 의해 효과적으로 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cells) 내로 유입되고, 엔도좀을 빠져나와, 세포질에 편재되어 hMSCs의 분화를 유도할 수 있다. 이를 모식 다이어그램으로 나타내면 도 9와 같다. 따라서, 본 발명에 따른 유전자 전달체는 연골조직 재건 및 재생을 위한 유전자 전달 수송체로서 유용하게 사용될 수 있다. The gene delivery system according to the present invention is effectively introduced into mesenchymal stem cells by endocytosis, exits the endosome, and is localized in the cytoplasm to induce differentiation of hMSCs. This is shown in a schematic diagram as shown in FIG. 9 . Therefore, the gene delivery system according to the present invention can be usefully used as a gene delivery vehicle for cartilage tissue reconstruction and regeneration.

또한, 본 발명에 따른 유전자 전달체는 중간엽 줄기세포를 연골세포로 선택적으로 분화시키는데 유용하게 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 유전자 전달체로 중간엽 줄기세포를 형질감염시키는 것을 포함하는, 중간엽 줄기세포의 연골세포로의 분화방법을 제공한다. In addition, the gene delivery system according to the present invention can be usefully used to selectively differentiate mesenchymal stem cells into chondrocytes. Accordingly, the present invention provides a method for differentiation of mesenchymal stem cells into chondrocytes, comprising transfecting the mesenchymal stem cells with the gene delivery system.

상기 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cells)는 윤활막, 제대혈, 골수, 태반, 치조골, 지방(지방조직) 등 다양한 조직을 기원으로 하여 획득할 수 있으며, 다양한 기원 중 타 조직들 보다 상대적으로 손쉽게 분리할 수 있는 골수 유래의 중간엽 줄기세포의 사용이 유리할 수 있다.The mesenchymal stem cells can be obtained from various tissues such as synovial membrane, umbilical cord blood, bone marrow, placenta, alveolar bone, and fat (adipose tissue), and can be isolated relatively easily than other tissues among various origins. The use of bone marrow-derived mesenchymal stem cells may be advantageous.

본 발명에 따른 분화방법에 있어서, 상기 형질감염은 상기 유전자 전달체를 포함하는 무혈청 배지 중에서 중간엽 줄기세포를 배양함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 유전자 전달체를 포함하는 무혈청 배지 중에서 중간엽 줄기세포를 약 6시간 동안 배양하여 유전자 전달체의 세포 내 유입을 유도함으로써 수행될 수 있다. 상기 무혈청 배지 중에서의 처리는 통상의 세포배양용 배지 예를 들어, MSCGM 기본배지(Lonza Walkersville Inc.) 등의 배지를 사용하여, 37℃, 5% CO2 배양 조건하에서 수행될 수 있다. 또한, 무혈청 배지 중에서의 배양으로부터 얻어진 세포 즉, 유전자 전달체로 형질감염된 세포는 통상의 방법, 예를 들어 트립신-EDTA(GIBCO, USA)로 처리하여 단일세포로 만든 후, 펠렛 배양을 수행할 수 있다. 상기 펠렛 배양은 혈청을 함유하는 배지(예를 들어, FBS와 항생제가 포함된 α-MEM 배지) 중에 상기 단일세포를 접종하여 배양액 내에 부유시키고 원심분리하여 배양용 시험관 바닥에 펠렛을 형성시킨 후, 37℃, 5% CO2의 배양 조건에서 배양함으로써 수행될 수 있다. 상기 펠렛 배양은 3일 내지 4일마다 배지를 교환하면서, 약 3주간 동안 수행될 수 있다.In the differentiation method according to the present invention, the transfection may be performed by culturing the mesenchymal stem cells in a serum-free medium containing the gene delivery system. For example, it may be performed by culturing the mesenchymal stem cells in a serum-free medium containing the gene carrier for about 6 hours to induce the influx of the gene carrier into cells. The treatment in the serum-free medium is a conventional cell culture medium, for example, using a medium such as MSCGM basal medium (Lonza Walkersville Inc.), 37° C., 5% CO 2 It can be performed under culture conditions. In addition, cells obtained from culture in serum-free medium, i.e., cells transfected with a gene delivery agent, are treated with a conventional method, for example, trypsin-EDTA (GIBCO, USA) to make single cells, and then pellet culture can be performed. have. The pellet culture is performed by inoculating the single cells in a serum-containing medium (for example, α-MEM medium containing FBS and antibiotics), floating them in the culture medium, and centrifuging to form a pellet on the bottom of the culture tube, It can be carried out by culturing in a culture condition of 37° C., 5% CO 2 . The pellet culture may be performed for about 3 weeks while changing the medium every 3 to 4 days.

본 발명에 따른 나노 복합체 형태의 유전자 전달체는 또한 중간엽 줄기세포와 함께 연골조직 재건 또는 재생을 위한 세포 치료제로서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 유전자 전달체로 형질감염된 중간엽 줄기세포를 포함하는, 연골조직 재건 또는 재생용 약학 조성물, 즉 세포 치료제를 제공한다. The gene delivery system in the form of a nanocomposite according to the present invention can also be used as a cell therapeutic agent for cartilage tissue reconstruction or regeneration together with mesenchymal stem cells. Accordingly, the present invention provides a pharmaceutical composition for cartilage tissue reconstruction or regeneration, ie, a cell therapeutic agent, comprising the mesenchymal stem cells transfected with the gene delivery system.

상기 유전자 전달체가 도입된 중간엽 줄기세포는 상기한 바와 같이 얻을 수 있다. 즉, 상기 유전자 전달체를 포함하는 무혈청 배지 중에서 중간엽 줄기세포를 배양하여 형질감염시킴으로써 얻을 수 있다. 상기 무혈청 배지 중에서의 배양은 상기한 바와 같이 수행될 수 있다.The mesenchymal stem cells into which the gene delivery system has been introduced can be obtained as described above. That is, it can be obtained by culturing and transfecting mesenchymal stem cells in a serum-free medium containing the gene delivery system. Cultivation in the serum-free medium may be performed as described above.

본 발명의 약학 조성물은 상기한 바와 같이 유전자 전달체로 형질감염된 중간엽 줄기세포를 포함하고, 약학적으로 허용가능한 담체를 포함할 수 있으며, 통상의 방법에 따라 액제, 현탁액, 에멀젼, 동결건조제 등의 비경구용 제형(예를 들어, 주사제 등)으로 제제화될 수 있다. 상기 약학적으로 허용가능한 담체는 인산 완충 식염수(phosphate buffered saline), 정제수, 멸균수 등의 수성 희석제 혹은 용제를 포함할 수 있다. 필요에 따라 용해제, 등장화제(isotonic agents), 현탁화제, 유화제, 안정화제 및 방부제와 같은 통상의 첨가제를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 약학 조성물은 BD MatrigelTM Matrix (BD biosciences 사) 등과 같은 통상의 지지체를 사용하여 연골조직 재건 또는 재생을 위한 구조체(construct) 형태로 제조될 수 있다. The pharmaceutical composition of the present invention contains the mesenchymal stem cells transfected with the gene delivery agent as described above, and may contain a pharmaceutically acceptable carrier, and may contain a solution, suspension, emulsion, freeze-drying agent, etc. according to a conventional method. It may be formulated as a parenteral formulation (eg, injection, etc.). The pharmaceutically acceptable carrier may include an aqueous diluent or solvent such as phosphate buffered saline, purified water, or sterile water. If necessary, conventional additives such as solubilizing agents, isotonic agents, suspending agents, emulsifying agents, stabilizing agents and preservatives may be included. In addition, the pharmaceutical composition according to the present invention can be prepared in the form of a construct for cartilage tissue reconstruction or regeneration using a conventional support such as BD Matrigel™ Matrix (BD biosciences).

본 발명의 약학 조성물에 있어서, 상기 유전자 전달체로 형질감염된 중간엽 줄기세포의 투여량은 환자의 상태 및 체중, 질병의 정도, 투여형태, 투여경로 및 기간에 따라 상이하지만, 예를 들면, 상기 유전자 전달체로 형질감염된 중간엽 줄기세포는 단회 투여시 약 5 X 106 cells의 용량으로, 예를 들어 주사제 형태로, 투여될 수 있다. 상기 투여는 필요에 따라 하루에 한번 또는 수회 나누어 투여될 수도 있다. 또한, 본 발명의 약학 조성물의 단위 제제는 약 5 X 106 cells의 유전자 전달체로 형질감염된 중간엽 줄기세포를 함유할 수 있다.In the pharmaceutical composition of the present invention, the dose of the mesenchymal stem cells transfected with the gene delivery agent varies depending on the patient's condition and weight, the degree of disease, the dosage form, the route of administration, and the duration, but for example, the gene The mesenchymal stem cells transfected with the carrier may be administered at a dose of about 5 X 10 6 cells, for example, in the form of an injection, upon single administration. The administration may be administered once or several times a day, if necessary. In addition, the unit preparation of the pharmaceutical composition of the present invention may contain the mesenchymal stem cells transfected with the gene carrier of about 5 X 10 6 cells.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention and do not limit the scope of the present invention.

1. 재료 및 시험방법1. Materials and test methods

(1) 나노입자의 제조(1) Preparation of nanoparticles

나노입자는 수중유중수(water-in-oil-in-water) 용매증발법을 사용하여 제조하였다. 구체적으로, 4 g의 락트산과 글리콜산의 공-중합체[poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA](중량평균분자량 33 kDa)(Boehringer Ingelheim, Germany), 40 mg의 덱사메타손(dexamethasone, DEX), 및 2 mg의 테트라메틸로다민 이소티오시아네이트(tetramethylrhodamine isothiocyanate, TRITC)(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO)를 20 mL의 메틸렌 클로라이드와 함께 30초 동안 초음파 처리기(sonicator: Bandelin electronic UW 70/HD 70, tip: MS 72/D, 베를린, 독일)로 초음파 처리하여 용해시켰다. 10 mL의 2% (w/v) 폴리비닐알코올(PVA; Sigma-Aldrich) 용액을 첨가한 다음, 20초 동안 다시 초음파 처리하여 에멀젼을 형성시켰다. 얻어진 에멀젼을 2% 이소프로판올을 함유하는 1% (w/v) PVA 수용액 50 mL에 가하고, 1시간 동안 600 rpm으로 교반한 다음, 감압건조하여 TRITC 및 덱사메타손이 로딩된 PLGA 나노입자(TRITC-DEX NPs 혹은 DEX-loaded NPs)를 제조하였다.Nanoparticles were prepared using a water-in-oil-in-water solvent evaporation method. Specifically, 4 g of a co-polymer of lactic acid and glycolic acid [poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA] (weight average molecular weight 33 kDa) (Boehringer Ingelheim, Germany), 40 mg of dexamethasone (DEX) , and 2 mg of tetramethylrhodamine isothiocyanate (TRITC) (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) with 20 mL of methylene chloride for 30 s in a sonicator (Bandelin electronic UW 70). /HD 70, tip: MS 72/D, Berlin, Germany) was sonicated to dissolve. 10 mL of a 2% (w/v) polyvinyl alcohol (PVA; Sigma-Aldrich) solution was added and then sonicated again for 20 seconds to form an emulsion. The obtained emulsion was added to 50 mL of a 1% (w/v) PVA aqueous solution containing 2% isopropanol, stirred at 600 rpm for 1 hour, and then dried under reduced pressure to load TRITC and dexamethasone-loaded PLGA nanoparticles (TRITC-DEX NPs). or DEX-loaded NPs) were prepared.

TRITC-DEX NPs 50 mg을 증류수 10 ml에 용해하고, 0.22 ㎛ 시린지 필터로 여과하여 0.22㎛ 이상의 크기를 지니는 입자를 제거하였다. 얻어진 나노입자가 포함된 용액 0.2 ml에 폴리에틸렌이민을 5 ㎍을 가하고, 20 초 동안 반응시켜 폴리에틸렌이민으로 변형된 나노입자(PEI-modified DEX-loaded NPs)를 얻었다. 또한, 얻어진 반응 혼합물에 pDNA(polycistronic SOX genes) 2 ㎍을 가하고, 20분 동안 반응시킨 다음 pDNA(polycistronic SOX genes)가 결합되고 또한 폴리에틸렌이민으로 변형된 나노입자(pDNA(polycistronic SOX genes)-complexed, PEI-modified DEX-loaded NPs)를 얻었다.50 mg of TRITC-DEX NPs were dissolved in 10 ml of distilled water and filtered with a 0.22 μm syringe filter to remove particles having a size of 0.22 μm or more. 5 μg of polyethyleneimine was added to 0.2 ml of the solution containing the obtained nanoparticles, and reacted for 20 seconds to obtain polyethyleneimine-modified nanoparticles (PEI-modified DEX-loaded NPs). In addition, 2 µg of polycistronic SOX genes (pDNA) was added to the obtained reaction mixture, and after reaction for 20 minutes, nanoparticles (polycistronic SOX genes)-complexed (pDNA) to which pDNA (polycistronic SOX genes) were bound and also modified with polyethyleneimine (polycistronic SOX genes)-complexed, PEI-modified DEX-loaded NPs) were obtained.

(2) (2) TRITCTRITC -- DEXDEX NPs의NPs 특성분석 Characterization

나노입자의 크기는 Zeta-sizer Nano ZS 장치(Malvern, Southborough, MA)를 사용하여 측정하였다. 구체적으로, 나노입자를 탈이온수에 0.5 mg/mL의 농도로 현탁시켰다. 누적 분석(cumulative analysis)을 통하여 평균 입자 크기(mean hydrodynamic diameter)를 측정하였다. 제타(ζ)-포텐셜은 액체상에 존재하고 있는 나노입자의 전기영동 속도(electrophoretic mobility)에 근거하여 측정하였으며, 이는 접이식 모세관 셀(folded capillary cells)을 사용하여 자동 모드(automatic mode)로 평가하였다.The size of the nanoparticles was measured using a Zeta-sizer Nano ZS apparatus (Malvern, Southborough, MA). Specifically, nanoparticles were suspended in deionized water at a concentration of 0.5 mg/mL. Mean hydrodynamic diameter was measured through cumulative analysis. The zeta (ζ)-potential was measured based on the electrophoretic mobility of nanoparticles in the liquid phase, which was evaluated in an automatic mode using folded capillary cells.

DEX-loaded NPs, PEI-modified DEX-loaded NPs, 및 pDNA(polycistronic SOX genes)-complexed, PEI-modified DEX-loaded NPs를 백금으로 코팅하고, 주사전자현미경(canning electron microscopy, SEM)을 통하여 이들의 평균 입자경 및 형태를 관찰하였다.DEX-loaded NPs, PEI-modified DEX-loaded NPs, and polycistronic SOX genes (pDNA)-complexed, PEI-modified DEX-loaded NPs were coated with platinum, and their results were analyzed by scanning electron microscopy (SEM). The average particle diameter and shape were observed.

(3) (3) 다유전자성polygenic SOX 플라스미드( SOX plasmid ( polycistronicpolycistronic SOX SOX plasmidplasmid ) 발현 벡터의 구축) Construction of expression vectors

SW1353 연골암 세포주(SW1353 chondrosarcoma cell line)의 총 RNA (3 ug)을 역전사효소(reverse transcriptase)와 oligo dT 프라이머(1 ul)를 이용하여 cDNA를 합성하였다. hSOX5 특이적 프라이머[정방향: 5'-CATACTAGTGCTAGCGCCACCATGCTTACTGACCCTGATTTAC-3'(서열번호 1), 역방향: 5'-CATGGATCCGGTACCTGGACCTGGATTGCTTTCTACATCCCCAGCCAGTTTGAGTAAATCAAAGTTAAGAGTTTGTTTGACAGGAGCGACAATTTTCTCGAGGTTGGCTTGTCCTGCAATATG-3'(서열번호 2)]를 이용하여 중합효소연쇄반응(95℃/2분, 95℃/30초, 60℃/30초, 72℃/2분의 35 사이클, 및 72℃/10분)을 실시한 후, PCR 산물을 SpeI/BamHI으로 자르고 pcDNA3.1/hyg 벡터를 NheI/BamHI으로 잘라 접합(ligation)하였다(pcDNA3.1/hyg-hSOX5-2A). hSOX6 유전자를 hSOX5 유전자와 2A를 이용하여 연결하기 위하여 hSOX6 특이적 프라이머[정방향: 5'-CATAGATCTGGATCCATGGGAAGAATGTCTTCCAAGCAAGCCAC-3'(서열번호 3), 역방향: 5'-CATGCGGCCGCTGGACCTGGATTGCTTTCTACATCCCCAGCCAGTTTGAGTAAATCAAAGTTAAGAGTTTGTTTGACAGGAGCGACAATTTTACCGGTGTTGGCACTGACAGCCTCCGG-3'(서열번호 4)]를 이용하여 SW1353 연골암 세포주 유래의 cDNA를 이용하여 중합효소연쇄반응(95℃/2분, 95℃/30초, 60℃/3초, 72℃/2분의 35 사이클, 및 72℃/10분)을 실시한 후, PCR 산물을 BglII/NotI으로 자르고 준비된 pcDNA3.1/hyg-hSOX5-2A 백터를 BglII/NotI으로 잘라 접합하였다(pcDNA3.1/hyg-hSOX5-2A-hSOX6-2A). 마지막으로 hSOX9 특이적 프라이머[정방향: 5'-CATGCGGCCGCTATGCCAAAGAAAAAGCGAAAGGTCAATCTCCTGGACCCCTTCATG-3'(서열번호 5), 역방향: 5'-CATTCTAGATCATCTCGGCCATCGTCGCCCTTC-3'(서열번호 6)]를 이용하여 MGC-14364 클론(ATCC)을 주형으로 하여 중합효소연쇄반응(95℃/2분, 95℃/30초, 60℃/3초, 72℃/2분의 35 사이클, 및 72℃/10분)을 실시한 후, PCR 산물을 NotI/XbaI으로 자르고 준비된 pcDNA3.1/hyg-hSOX5-2A-hSOX6-2A 백터를 NotI/XbaI으로 잘라 접합하여 다유전자성 SOX 플라스미드(polycistronic SOX plasmid) 발현 벡터를 제작하였다(pcDNA3.1/hyg-hSOX5-2A-hSOX6-2A-hSOX9NLS).Total RNA (3 ug) of SW1353 chondrosarcoma cell line was synthesized using reverse transcriptase and oligo dT primer (1 ul) to synthesize cDNA. hSOX5-specific primer [forward: 5'-CATACTAGTGCTAGCGCCACCATGCTTACTGACCCTGATTTAC-3' (SEQ ID NO: 1), reverse: 5'-CATGGATCCGGTACCTGGACCTGGATTGCTTTCTACATCCCCAGCCAGTTTGAGTACATGATTCAAAGTTTAAGAGTTTGTTTGACATAAGAGAGTTTGTTTGACAGGAGCGACAATTT 95 °C using polymerase 95 ° C After 35 cycles of °C/30 sec, 60 °C/30 sec, 72 °C/2 min, and 72 °C/10 min), the PCR product was cut with SpeI/BamHI and pcDNA3.1/hyg vector with NheI/BamHI It was cut and ligated (pcDNA3.1/hyg-hSOX5-2A). In order to link the hSOX6 gene with the hSOX5 gene using 2A, the hSOX6-specific primer [forward: 5'-CATAGATCTGGATCCATGGGAAGAATGTCTTCCAAGCAAGCCAC-3' (SEQ ID NO: 3), reverse: 5'-CATGCGGCCGCTGGTTGAACTGAACTGAACT using the 4' Polymerase chain reaction using cDNA derived from the SW1353 cartilage cancer cell line (35 cycles of 95 °C/2 min, 95 °C/30 sec, 60 °C/3 sec, 72 °C/2 min, and 72 °C/10 min) After carrying out, the PCR product was cut with BglII/NotI, and the prepared pcDNA3.1/hyg-hSOX5-2A vector was cut and spliced with BglII/NotI (pcDNA3.1/hyg-hSOX5-2A-hSOX6-2A). Finally, using the hSOX9-specific primer [forward: 5'-CATGCGGCCGCTATGCCAAAGAAAAAGCGAAAGGTCAATCTCCTGGACCCCTTCATG-3' (SEQ ID NO: 5), reverse: 5'-CATTCTAGATCATCTCGGCCATCGTCGCCCTTC-3' (SEQ ID NO: 6)], MGC-14364 clone (ATCC) as a template After conducting a polymerase chain reaction (95 °C/2 min, 95 °C/30 sec, 60 °C/3 sec, 35 cycles of 72 °C/2 min, and 72 °C/10 min), the PCR product was NotI/XbaI The prepared pcDNA3.1/hyg-hSOX5-2A-hSOX6-2A vector was cut with NotI/XbaI and spliced to construct a polycistronic SOX plasmid expression vector (pcDNA3.1/hyg-hSOX5-2A). -hSOX6-2A-hSOX9NLS).

(4) (4) 다유전자성polygenic SOX 유전자가 SOX gene 결합된combined TRITCTRITC -- DEXDEX NPs의NPs 세포내intracellular 유입(Cellular uptake) Cellular uptake

(4-1) 세포배양(4-1) Cell culture

hMSCs는 Lonza Walkersville Inc.(Walkersville, Cat#: PT-2501)로부터 구입하였다. hMSCs는 MSCGM 기본배지(Cat#: PT-3001; Lonza Walkersville Inc.) 중에서 가습(humidified) 5% CO2 인큐베이터에서 37℃에서 배양하였다. 세포를 37℃에서 5% CO2 및 95% 주위 공기 중에서 유지시키고, 배지는 2일에 한번씩 교체하며 계대배양하였다. 실험은 계대 5∼7의 세포 및 TRITC-DEX NPs를 사용하여 무혈청 배지 중에서 37℃에서 5% CO2 에서 수행하였다.hMSCs were purchased from Lonza Walkersville Inc. (Walkersville, Cat#: PT-2501). hMSCs were cultured at 37° C. in a humidified 5% CO 2 incubator in MSCGM basal medium (Cat#: PT-3001; Lonza Walkersville Inc.). Cells were maintained at 37° C. in 5% CO 2 and 95% ambient air, and the medium was changed every 2 days and subcultured. Experiments were performed using cells of passage 5-7 and TRITC-DEX NPs in serum-free medium at 37° C. and 5% CO 2 .

293T 세포(American Type Culture Collection, Manassas, VA)는 RPMI-1640 배지(Hyclone, Logan, UT)에서, HeLa 세포는 Dulbecco's Modified Eagle's Medium (low glucose)에서 37℃에서 5% CO2 에서 배양하였다.293T cells (American Type Culture Collection, Manassas, VA) were cultured in RPMI-1640 medium (Hyclone, Logan, UT), and HeLa cells were cultured in Dulbecco's Modified Eagle's Medium (low glucose) at 37° C. and 5% CO 2 .

(4-2) 세포내 유입(4-2) intracellular entry

유세포 분석을 위해, hMSCs를 6-웰 플레이트(웰 당 3 × 105 세포)에 접종하고, 37℃에서 5% CO2 에서 배양하고, 2회 세척하고, 1시간 동안 2 mL의 무혈청 배지와 함께 37℃에서 전-배양하였다. hMSCs를 0.2 mg/mL pDNA(빈 벡터)-결합 TRITC-DEX NPs(pDNA(empty vector)-complexed TRITC-DEX NPs)와 함께 0.5-6 시간 동안 인큐베이션하였다. 또한, hMSCs를 다양한 농도(0.01-0.2 mg/mL)의 pDNA(빈 벡터)-결합 TRITC-DEX NPs와 함께 6시간 동안 배양하였다. 이후, 세포를 1 mL의 인산완충식염수(phosphate-buffered saline(PBS), pH 7.4)로 세척하여 미유입된(free) 나노입자를 제거하고, PBS에 현탁하여 583/26-nm 레이저가 장착된 Guava EasyCyte System(Guava Technologies, Hayward, CA)을 사용하여 분석하였다. 데이터는 10,000 세포의 평균 형광 시그널을 나타낸다.For flow cytometry, hMSCs were seeded in 6-well plates (3 × 10 5 cells per well), incubated at 37° C. in 5% CO 2 , washed twice, and with 2 mL of serum-free medium for 1 h. Together, they were pre-incubated at 37°C. hMSCs were incubated with 0.2 mg/mL pDNA (empty vector)-bound TRITC-DEX NPs (pDNA (empty vector)-complexed TRITC-DEX NPs) for 0.5-6 hours. In addition, hMSCs were incubated with various concentrations (0.01-0.2 mg/mL) of pDNA (empty vector)-conjugated TRITC-DEX NPs for 6 hours. Thereafter, the cells were washed with 1 mL of phosphate-buffered saline (PBS), pH 7.4 to remove free nanoparticles, suspended in PBS, and a 583/26-nm laser was installed. Analysis was performed using the Guava EasyCyte System (Guava Technologies, Hayward, CA). Data represent mean fluorescence signal of 10,000 cells.

공초점 시각화(confocal imaging)를 위해, hMSCs를 35-mm 유리접시(2 × 105 cells/well)에 접종하였다. 세포를 1시간 동안 37℃에서 무혈청 배지 중에서 전배양한 다음, pDNA(빈 벡터)-결합 TRITC-DEX NPs의 존재하에서(최종 입자 농도 0.2 mg/mL) 0.5-6 시간 동안 전배양하였다. 형광은 3개의 채널, 즉 FITC (DiO 세포-표지 용액에 대하여, CellLight® Early Endosomes-GFP, 및 Alexa Fluor® 488 Goat Anti-Rabbit IgG (H+L); 여기(excitation) 488 nm; 방출(emission) 518 nm), TRITC (TRITC-DEX NPs에 대하여; 여기, 558 nm; 방출, 583 nm), 및 4,6-디아미디노-2-페닐인돌(DAPI)(DAPI 표지에 대하여; 여기 358 nm, 방출 461 nm)로 모니터하였다.For confocal imaging, hMSCs were seeded into 35-mm glass plates (2 × 10 5 cells/well). Cells were pre-cultured in serum-free medium at 37°C for 1 h, and then in the presence of pDNA (empty vector)-conjugated TRITC-DEX NPs (final particle concentration 0.2 mg/mL) for 0.5-6 h. Fluorescence is transmitted in three channels: FITC (for DiO cell-labeling solution, CellLight® Early Endosomes-GFP, and Alexa Fluor® 488 Goat Anti-Rabbit IgG (H+L); excitation 488 nm; emission ) 518 nm), TRITC (for TRITC-DEX NPs; excitation, 558 nm; emission, 583 nm), and 4,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) (for DAPI label; excitation 358 nm) , emission 461 nm).

(5) 형질감염((5) transfection ( TransfectionTransfection ))

hMSCs를 6-웰 플레이트(2 × 105 cells/well)에 넣고, 37℃에서 5% CO2 에서 배양하고, 차가운 PBS로 2회 세척하고, 20분 동안 37℃에서 전배양하였다. 배지를 2 mL의 Opti-MEM 배지로 교체하고, 세포를 pDNA(polycistronic SOX genes)-complexed, PEI-modified DEX-loaded NPs로 6시간 동안 처리하였다. 이후, 우태혈청(fetal bovine serum, FBS)을 함유하는 배지를 웰 당 2 mL 첨가하여 배지를 교체하고, 추가로 24시간 동안 인큐베이션하였다. 형질감염 효율은 웨스턴 블럿팅 및 형광 공초점 현미경(LSM 880, Zeiss)으로 계산하였다.hMSCs were placed in a 6-well plate (2 × 10 5 cells/well), incubated at 37° C. in 5% CO 2 , washed twice with cold PBS, and pre-incubated at 37° C. for 20 minutes. The medium was replaced with 2 mL of Opti-MEM medium, and the cells were treated with polycistronic SOX genes (pDNA)-complexed, PEI-modified DEX-loaded NPs for 6 hours. Thereafter, the medium was replaced by adding 2 mL per well of a medium containing fetal bovine serum (FBS), and incubated for an additional 24 hours. Transfection efficiency was calculated by Western blotting and fluorescence confocal microscopy (LSM 880, Zeiss).

(6) (6) 글라이코스아미노글리칸Glycosaminoglycan (( glycosaminoglycanglycosaminoglycans , GAG) 생산의 생화학적 분석, GAG) biochemical analysis of production

샘플 및 음성 대조군을 추출하고, PBS 2.5 mL로 세척하고, 펠렛 분쇄기(Fisher Scientific, MA)로 균질화한 다음, 500 μL의 파페인 분해 완충액(papain digestion buffer)(0.05 M 소듐 아세테이트, 5 mM L-시스테인 HCl, 및 10 mM EDTA, pH 5.5) 중에서 65℃에서 3시간 동안 분해하였다. 이후, 시험물(specimens)을 냉동/융해/초음파처리(freeze/thaw/sonication)의 사이클(-80℃에서 30분, 실온에서 30분, 및 초음파처리 3분)로 처리하여 세포질로부터 DNA를 완전히 추출하였다. 각 실험군 및 대조군에 대하여 DNA 및 GAG 분석을 3회 수행하였다. 세포의 수는 PicoGreen assay(Molecular Probes, Eugene, OR)를 사용하여 제조사의 지침에 따라 이중-가닥 DNA 함량을 측정함으로써 결정하였다. 음성, 무세포 대조군의 형광을 실험군의 형광으로부터 차감하여 물질 단독의 형광을 결정하였다. 유사하게, GAG 함량은 디메틸메틸렌 블루 염색 분석(dimethylmethylene blue dye assay)에 의해 결정하였다. 즉, 50 μL의 파페인-분해 샘플을 2 mL의 상기 염색시약과 함께 인큐베이션한 다음, 반응을 스펙트로포토미터 상에서 520 nm에서 관찰하였으며, 상어 콘드로이틴 설페이트 C(shark chondroitin sulfate C, Sigma)를 표준물질로서 사용하였다. GAG의 총 함량은 DNA의 총 함량에 대하여 보정하였다.Extract samples and negative controls, wash with 2.5 mL of PBS, homogenize with a pellet grinder (Fisher Scientific, MA), and then 500 µL papain digestion buffer (0.05 M sodium acetate, 5 mM L- cysteine HCl, and 10 mM EDTA, pH 5.5) at 65° C. for 3 h. Thereafter, the specimens were treated with a cycle of freeze/thaw/sonication (30 min at -80°C, 30 min at room temperature, and 3 min sonication) to completely remove the DNA from the cytoplasm. extracted. DNA and GAG analysis was performed three times for each experimental group and control group. Cell number was determined by measuring double-stranded DNA content using a PicoGreen assay (Molecular Probes, Eugene, OR) according to the manufacturer's instructions. The fluorescence of the material alone was determined by subtracting the fluorescence of the negative and cell-free control group from the fluorescence of the experimental group. Similarly, GAG content was determined by dimethylmethylene blue dye assay. That is, 50 μL of papain-digested sample was incubated with 2 mL of the staining reagent, and the reaction was observed at 520 nm on a spectrophotometer, and shark chondroitin sulfate C (Sigma) was used as a standard material. was used as The total content of GAG was corrected for the total content of DNA.

(7) (7) 펠렛pellet 배양 culture

각각의 펠렛을 제조하기 위하여, 2 mL의 정의된 배지(defined medium) 중에서 1 × 106 세포의 앨리콧(aliquots)을 1,200 rpm으로 3분 동안 15-mL 코니컬 튜브 내에서 원심분리하였다. 펠렛을 4개로 나누어, (10% FBS 및 1% 항생제를 함유하는) 완전 배지(complete medium)에서 37℃에서 5% CO2에서 21일 동안 배양하였다. 배지는 3일에 한번씩 교체하였다.To prepare each pellet, aliquots of 1 × 10 6 cells in 2 mL of defined medium were centrifuged at 1,200 rpm for 3 minutes in a 15-mL conical tube. The pellet was divided into 4 and cultured in complete medium (containing 10% FBS and 1% antibiotic) at 37° C. in 5% CO 2 for 21 days. The medium was changed once every 3 days.

(8) RT-(8) RT- PCRPCR

TRIzol(Invitrogen, Carlsbad, CA)을 사용하여 제조사의 지침에 따라 RNA를 추출하였다. 총 RNA(0.5 μg)를 MMLV 역전사효소 및 무작위 헥사머(random hexamers)를 사용한 20-μL 반응으로 제조사(Invitrogen)의 프로토콜에 따라 역전사시켰다. PCR은 2× LaboPass G-Taq PCR Master Mix (Cosmogenetech, Seoul, Korea)를 사용하여 다음 조건으로 수행하였다: 94℃에서 5분, 이후 94℃에서 30초간 변성, 57℃에서 45초간 어닐링, 및 72℃에서 45초간 연장의 35 사이클. PCR 산물은 1.5% 아가로오즈 겔 상에서 확인하였으며, 에티디움 브로마이드 염색 후 자외선 하에서 시각화하였다.RNA was extracted using TRIzol (Invitrogen, Carlsbad, CA) according to the manufacturer's instructions. Total RNA (0.5 μg) was reverse transcribed according to the manufacturer's protocol (Invitrogen) in a 20-μL reaction using MMLV reverse transcriptase and random hexamers. PCR was performed using 2× LaboPass G-Taq PCR Master Mix (Cosmogenetech, Seoul, Korea) under the following conditions: 94°C for 5 minutes, then denatured at 94°C for 30 seconds, annealed at 57°C for 45 seconds, and 72 35 cycles of extension for 45 seconds at °C. The PCR product was confirmed on a 1.5% agarose gel and visualized under UV light after staining with ethidium bromide.

또한, 특정 유전자 발현은 ExiCycler(Bioneer, Daejeon, Korea)에서 실-시간 RT-PCR에 의해 측정하였다. 구체적으로, 1 μL의 각각의 cDNA를 2.0 mM MgCl2, 20 pM의 각각의 프라이머, 및 1× Takara PCR Master Mix(Takara, Otsu, Japan)를 함유하는 20-μL PCR 분석액 중에서 증폭하였다. 샘플을 ExiCycler에서 하기 조건으로 처리하였다: 94℃에서 10분간 초기 변성, 이후 94℃에서 40초, 58℃에서 30초, 및 72℃에서 30초의 45 사이클. 2-델타 델타 사이클-역치법(2-delta delta cycle-threshold method)을 사용하여 상대적 정량분석을 수행하였다. 특정 전사물의 증폭을 확인하기 위하여, 각각의 PCR 종료시에 샘플을 40℃로 냉각한 다음, 지속적으로 형광을 측정하면서 95℃로 서서히 가열하여 녹는점 프로파일(melting curve profiles)을 작성하였다. 상기 PCR에 사용된 각각의 프라이머 서열은 다음 표 1과 같다.In addition, specific gene expression was measured by real-time RT-PCR in ExiCycler (Bioneer, Daejeon, Korea). Specifically, 1 μL of each cDNA was amplified in 20-μL PCR assay solution containing 2.0 mM MgCl 2 , 20 pM of each primer, and 1× Takara PCR Master Mix (Takara, Otsu, Japan). Samples were subjected to the following conditions in an ExiCycler: initial denaturation at 94°C for 10 minutes, followed by 45 cycles of 94°C for 40 seconds, 58°C for 30 seconds, and 72°C for 30 seconds. Relative quantitative analysis was performed using the 2-delta delta cycle-threshold method. In order to confirm the amplification of a specific transcript, the sample was cooled to 40°C at the end of each PCR, and then slowly heated to 95°C while continuously measuring fluorescence to prepare melting curve profiles. Each primer sequence used in the PCR is shown in Table 1 below.

서열번호SEQ ID NO: 서열order AggrecanAgrecan 77 센스sense 5'-CCTTGGAGGTCGTGGTGAAAGG-3'5'-CCTTGGAGGTCGTGGTGAAAGG-3' 88 안티센스antisense 5'-AGGTGAACTTCTCTGGCGACGT-3'5'-AGGTGAACTTCTCTGGCGACGT-3' COLIICOLII 99 센스sense 5'-CCCAGAAACAACACAATCCG-3'5'-CCCAGAAACAACACAATCCG-3' 1010 안티센스antisense 5'-CTGAAGGGAGGTCTTCTGGC-3'5'-CTGAAGGGAGGTCTTCTGGC-3' COMPCOMP 1111 센스sense 5'-AACGCTGAAGTCACGCTCAC-3'5'-AACGCTGAAGTCACGCTCAC-3' 1212 안티센스antisense 5'-GGTAGCCAAAGATGAAGCCC-3'5'-GGTAGCCAAAGATGAAGCCC-3' SOX9SOX9 1313 센스sense 5'-TTCATGAAGATGACCGACGA-3'5'-TTCATGAAGATGACCGACGA-3' 1414 안티센스antisense 5'-CACACCATGAAGGCGTTCAT-3'5'-CACACCATGAAGGCGTTCAT-3' GAPDHGAPDH 1515 센스sense 5'-CGCTGAGTACGTCGTGGAGT-3'5'-CGCTGAGTACGTCGTGGAGT-3' 1616 안티센스antisense 5'-ATGATGTTCTGGAGAGCCCC-3'5'-ATGATGTTCTGGAGAGCCCC-3' FibronectinFibronectin 1717 센스sense 5'-TCGAGGAGGAAATTCCAATG-3'5'-TCGAGGAGGAAATTCCAATG-3' 1818 안티센스antisense 5'-ACACACGTGCACCTCATCAT-3'5'-ACACACGTGCACCTCATCAT-3' N-cadherinN-cadherin 1919 센스sense 5'-GGACAGTTCCTGAGGGATCA-3'5'-GGACAGTTCCTGAGGGATCA-3' 2020 안티센스antisense 5'-GGATTGCCTTCCATGTCTGT-3'5'-GGATTGCCTTCCATGTCTGT-3'

(9) (9) 웨스턴western 블럿blot 분석 analysis

총 단백질을 표준 프로토콜에 따라 세포로부터 추출하였다. 단백질 추출물을 100-200 μL의 RIPA 완충액에 재현탁한 다음, 8-12% (w/v) 아크릴아마이드 SDS-PAGE 겔 상에서 전기영동하여 분석하였다. 웨스턴 블롯 분석은 반건조 시스템(semidry system)을 사용하여 수행하였다. 블럿은 실온에서 1차 항체[항-SOX5 (abcam, cat. #; ab94396, 1:1000), 항-SOX6 (santa, cat. #; sc-20092, 1:500), 항-SOX9 (millipore, cat. #; AB5535, 1:3000), 항-COMP (abcam, cat. #; ab171854, 1:1000), 항-Aggrecan (abcam, cat. #; ab3778, 1:500), 항-β-actin (Sigma, cat. #; a5441, 1:10000)](1:3000)와 함께 밤새 인큐베이션하였으며, 호스래디쉬 퍼옥시다아제-컨쥬게이티드 2차 항체(1:5000; Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA)를 사용하여 결합을 검출하였다. 결합은 화학발광(enhanced chemiluminescence)(Amersham Pharmacia, USA)을 통하여 필름상에서 검출하였다.Total protein was extracted from cells according to standard protocols. Protein extracts were resuspended in 100-200 μL of RIPA buffer and then analyzed by electrophoresis on an 8-12% (w/v) acrylamide SDS-PAGE gel. Western blot analysis was performed using a semidry system. Blots were obtained at room temperature with primary antibodies [anti-SOX5 (abcam, cat. #; ab94396, 1:1000), anti-SOX6 (santa, cat. #; sc-20092, 1:500), anti-SOX9 (millipore, cat. #; AB5535, 1:3000), anti-COMP (abcam, cat. #; ab171854, 1:1000), anti-Aggrecan (abcam, cat. #; ab3778, 1:500), anti-β-actin (Sigma, cat. #; a5441, 1:10000)] (1:3000) and horseradish peroxidase-conjugated secondary antibody (1:5000; Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA). ) was used to detect binding. Binding was detected on film via enhanced chemiluminescence (Amersham Pharmacia, USA).

(10) 조직학 및 면역조직화학(Histology and (10) Histology and immunohistochemistry immunohistochemistryimmunohistochemistry ))

상이한 유형의 나노입자로 세포를 처리한 후 21일째에 샘플을 수확하였다. pDNA(빈 벡터), pDNA(빈 벡터)-결합 TRITC-DEX NPs, pDNA(polycistronic SOX genes)-complexed PEI, 및 pDNA(polycistronic SOX genes)-complexed, PEI-modified, DEX-loaded NPs로 형질감염된 hMSCs를 4% 파라포름알데히드에 고정하였다. 구체적으로, 각 시점에서 얻어진 샘플을 OCT 화합물(TISSUE-TEKs 4583, Sakura Finetek Inc. USA)에 삽입(embeded)한 다음, 냉동하였다. 시험물을 10 μm-두께의 조각으로 -20℃에서 컷팅한 다음, 핵 및 세포질을 헤마톡실린 및 에오신(hematoxylin and eosin, H&E)으로 각각 염색하였다. 또한, 조직학적 분석을 위하여, 냉동조각(cryosections)(10 μm)을 알시안 블루(Alcian blue), 사프라닌-O(Safranin-O), 및 마손 트리크롬(Masson's trichrome)으로 염색하였다. 가습 환경에서 특이적 항체[COL II (Millipore, Temecula, CA) 및 SOX9 (Millipore)](1:200)를 가하여 면역조직화학 분석을 수행하였다. 이어서, 샘플을 Tris-완충 식염수로 세척하고, Alexa Fluor 488-컨쥬게이티드 고우트 항-래빗 이뮤노글로블린 G(Alexa Fluor 488-conjugated goat anti-rabbit immunoglobulin G) 및 Alexa Fluor 555-컨쥬게이티드 돈키 항-마우스 이뮤노글로블린 G(Alexa Fluor 555-conjugated donkey anti-mouse immunoglobulin G(Thermo Fisher Scientific, MA)와 함께 인큐베이션하고, PBS로 3회 세척하고, DAPI(1:500)와 함께 5분 동안 인큐베이션하였다. 이후, 샘플을 Zeiss LSM 880 공초점 현미경(Carl Zeiss, Gottingen, Germany)을 사용하여 측정하였다.Samples were harvested 21 days after cells were treated with different types of nanoparticles. hMSCs transfected with pDNA (empty vector), pDNA (empty vector)-conjugated TRITC-DEX NPs, pDNA (polycistronic SOX genes)-complexed PEI, and pDNA (polycistronic SOX genes)-complexed, PEI-modified, DEX-loaded NPs was fixed in 4% paraformaldehyde. Specifically, samples obtained at each time point were embedded in an OCT compound (TISSUE-TEKs 4583, Sakura Finetek Inc. USA) and then frozen. The test article was cut into 10 μm-thick pieces at -20°C, and then the nucleus and cytoplasm were stained with hematoxylin and eosin (H&E), respectively. In addition, for histological analysis, cryosections (10 μm) were stained with Alcian blue, Safranin-O, and Masson's trichrome. Immunohistochemical analysis was performed by adding specific antibodies [COL II (Millipore, Temecula, CA) and SOX9 (Millipore)] (1:200) in a humidified environment. Samples were then washed with Tris-buffered saline and Alexa Fluor 488-conjugated goat anti-rabbit immunoglobulin G and Alexa Fluor 555-conjugated donkey Incubated with anti-mouse immunoglobulin G (Alexa Fluor 555-conjugated donkey anti-mouse immunoglobulin G (Thermo Fisher Scientific, MA), washed 3 times with PBS, and incubated with DAPI (1:500) for 5 min. The samples were then measured using a Zeiss LSM 880 confocal microscope (Carl Zeiss, Gottingen, Germany).

다른 실험으로, 상기 조각들을 Histostain-SP 키트(AEC, Broad Spectrum, Bulk; Invitrogen)로 염색하였다. 조각들을 1차 항체(항-SOX-9, Millipore)와 함께 1시간 동안 실온에서 인큐베이션하고, 0.1% 우 혈청 알부민(bovine serum albumin)을 함유하는 PBS로 3회 세척하고, 1시간 동안 바이오티닐화된 2차 항체(biotinylated second antibody)(Histostain-SP 키트, Reagent 1B) 처리 후 인큐베이션한 다음, PBS로 3회 세척하였다. 시그널은 제조사 지침에 따라 AEC 용액을 사용하여 전개시켰다.In another experiment, the pieces were stained with the Histostain-SP kit (AEC, Broad Spectrum, Bulk; Invitrogen). The fragments were incubated with primary antibody (anti-SOX-9, Millipore) for 1 h at room temperature, washed 3 times with PBS containing 0.1% bovine serum albumin, and biotinylated for 1 h. After treatment with the biotinylated second antibody (Histostain-SP kit, Reagent 1B), incubation was performed, and then washed 3 times with PBS. Signals were developed using AEC solution according to the manufacturer's instructions.

(12) 통계 분석(12) Statistical analysis

실험군 간의 차이는 ANOVA를 사용하여 평가하였다. p-값 < 0.01을 통계적으로 유의한 것으로 간주하였다.Differences between experimental groups were evaluated using ANOVA. A p-value < 0.01 was considered statistically significant.

2. 결과 및 고찰2. Results and Discussion

나노입자의 크기 및 형태는 동적 빛 산란(dynamic light scattering) 및 SEM 분석으로 모니터하였다(도 1A). 나노입자의 크기는 PEI 및 PEI/pDNA으로 코팅함에 따라 증가하였다(도 1A b, c). DEX-loaded NPs, PEI-modified DEX-loaded NP, 및 PEI/pDNA-coated DEX-loaded NPs는 각각 130, 150, 및 165 nm의 직경을 가졌다. 이는 DEX-loaded NPs가 PEI 및 PEI/pDNA로 쉽게 코팅됨을 보여준다. SEM에서, DEX-loaded NPs는 PEI 또는 PEI/pDNA로 코팅하였을 때 더 희미한(blurry) 외관을 가졌다(도 1 e, f). DEX-loaded NPs는 PEI 또는 PEI/pDNA와 결합되었을 때 나노입자의 크기가 커져 상대적으로 덜 조밀해 보인다. 이는 또한 DEX-loaded NPs가 유전자 전달을 위하여 PEI 또는 PEI/pDNA로 코팅되었음을 보여준다.The size and shape of the nanoparticles was monitored by dynamic light scattering and SEM analysis ( FIG. 1A ). The size of nanoparticles increased with coating with PEI and PEI/pDNA (Fig. 1A b, c). DEX-loaded NPs, PEI-modified DEX-loaded NPs, and PEI/pDNA-coated DEX-loaded NPs had diameters of 130, 150, and 165 nm, respectively. This shows that DEX-loaded NPs are easily coated with PEI and PEI/pDNA. In SEM, DEX-loaded NPs had a blurry appearance when coated with PEI or PEI/pDNA (Fig. 1 e, f). When DEX-loaded NPs are combined with PEI or PEI/pDNA, the size of the nanoparticles increases, making them relatively less dense. This also shows that DEX-loaded NPs were coated with PEI or PEI/pDNA for gene delivery.

PEI 또는 PEI/pDNA로 코팅된 DEX-loaded NPs의 특성을 추가로 분석하기 위하여, 이들의 ζ-포턴셜을 측정하였다(도 1B). pDNA(polycistronic SOX genes) 및 DEX-loaded NPs는 음성(negative)을 나타내었다(도 1B a, c). DEX-loaded NPs의 음성 ζ-포텐셜은 PEI 코팅 후에 양성(positive)이 되었다(도 1B b, d, e). 이러한 결과는 PEI가 양으로 하전된 골격(backbone)을 갖는데 기인한다.To further analyze the properties of DEX-loaded NPs coated with PEI or PEI/pDNA, their ζ-potential was measured (Fig. 1B). pDNA (polycistronic SOX genes) and DEX-loaded NPs were negative (Fig. 1B a, c). The negative ζ-potential of DEX-loaded NPs became positive after PEI coating (Fig. 1B b, d, e). This result is due to PEI having a positively charged backbone.

이전의 연구에서, 연골세포 분화를 촉진하기 위하여 SOX5, SOX6, 및 SOX9를 개별적으로 전달한 바 있다(Park JS, et al.Biomaterials 2011;32(14):3679-88; 및 Yang HN, et al. Biomaterials 2011;32(30):7695-704). SOX5, SOX6, 및 SOX9의 조합이 연골세포 분화를 촉진하였으나, 각각의 단일 유전자를 조정(regulate) 및 조절(controll)하는 것은 곤란하였다. 효율적인 유전자 전달을 위하여, 본 발명자들은 이들 3개의 SOX 유전자를 포함하는 다유전자성(polycistronic) 플라스미드를 구축하였다. 이 플라스미드의 구조를 도 2A에 나타낸다. 세개의 유전자의 적절한 탑재화(positioning)는 제한효소 소화에 의해 확인하였다(도 2B). hMSCs에서 이들 유전자의 발현 수준은 RT-PCR 및 실시간 qPCR에 의해 확인하였다(도 2B 및 2C). 다유전자성 SOX 유전자(Poly) 및 각각의 SOX 유전자를 사용하여 유전자의 발현 수준을 확인하였다(도 2C). 발현 수준은 다유전자성 SOX 유전자가 hMSCs로 형질전환되었을 때 현저하게 증가하였다. In a previous study, SOX5, SOX6, and SOX9 were separately delivered to promote chondrocyte differentiation (Park JS, et al. Biomaterials 2011;32(14):3679-88; and Yang HN, et al. Biomaterials 2011;32(30):7695-704). The combination of SOX5, SOX6, and SOX9 promoted chondrocyte differentiation, but it was difficult to regulate and control each single gene. For efficient gene delivery, the present inventors constructed a polycistronic plasmid containing these three SOX genes. The structure of this plasmid is shown in Fig. 2A. Proper positioning of the three genes was confirmed by restriction enzyme digestion (Fig. 2B). The expression levels of these genes in hMSCs were confirmed by RT-PCR and real-time qPCR ( FIGS. 2B and 2C ). The polygenic SOX gene (Poly) and each SOX gene were used to confirm the expression level of the gene (FIG. 2C). The expression level was significantly increased when the polygenic SOX gene was transformed into hMSCs.

DEX-loaded NPs의 세포내 유입을 확인하기 위하여, TRITC-컨쥬게이티드 DEX-loaded NPs(즉, TRITC-DEX NPs)로 처리된 hMSCs를 FACS로 분석하였다(도 3A). TRITC-DEX NPs의 양이 증가함에 따라, 적색 형광은 오른쪽으로 이동하였다(도 3A a). 세포내 유입을 시간에 따라 측정하였다(도 3A b). 세포내 유입은 시간 경과에 따라 증가하였으며, 6시간 후 약 98%에 도달하였다. 따라서, hMSCs는 TRITC-DEX NPs를 세포질 내에 유지하였다. 이들의 유입 과정에서, TRITC-DEX NPs는 핵 부근에 위치하였다(도 3B b). 이들은 세포내로 유입되고, 엔도좀(endosomes)에 캡슐화된 다음, 엔도좀으로부터 빠져나왔다(도 3B b-1-3). 이는 TRITC-DEX NPs가 엔도사이토시스(endocytosis)를 통하여 유입되어 세포질에 위치하여 특정 물질을 전달한다는 것을 보여준다. TRITC-DEX NPs의 세포내 유입 특성을 추가로 분석하기 위하여, hMSCs의 막을 염색하였다(도 3C). 초기에는 적색 입자가 TRITC-DEX NPs로 처리된 hMSCs에서 관찰되지 않았다(도 3C a). 나중 시점에는 적색 입자가 세포막 부근에서 관찰되었고(도 3C b, c), 이후 핵으로 이동하였다(도 3C d). 이러한 결과는 DEX-loaded PLGA NPs가 특정 약물을 hMSCs의 핵 부근으로 전달할 수 있음을 나타낸다.To confirm the intracellular uptake of DEX-loaded NPs, hMSCs treated with TRITC-conjugated DEX-loaded NPs (ie, TRITC-DEX NPs) were analyzed by FACS (FIG. 3A). As the amount of TRITC-DEX NPs increased, the red fluorescence shifted to the right (Fig. 3A a). Intracellular uptake was measured over time ( FIG. 3A b ). Intracellular uptake increased with time and reached about 98% after 6 hours. Therefore, hMSCs retained TRITC-DEX NPs in the cytoplasm. In the course of their entry, TRITC-DEX NPs were located near the nucleus ( FIG. 3B b ). They enter the cell, are encapsulated in endosomes, and then exit from the endosomes (Fig. 3B b-1-3). This shows that TRITC-DEX NPs are introduced through endocytosis and are located in the cytoplasm to deliver specific substances. To further analyze the intracellular entry characteristics of TRITC-DEX NPs, the membranes of hMSCs were stained ( FIG. 3C ). Initially, no red particles were observed in hMSCs treated with TRITC-DEX NPs (Fig. 3C a). At later time points, red particles were observed near the cell membrane (Fig. 3C b, c), and then migrated to the nucleus (Fig. 3C d). These results indicate that DEX-loaded PLGA NPs can deliver specific drugs to the vicinity of the nucleus of hMSCs.

다유전자성 SOX 유전자의 hMSCs, 293T 세포 및 HeLa 세포로의 전달을 확인하기 위하여, 단백질 발현을 웨스턴 블롯팅에 의해 분석하였다(도 4A). 외인성 SOX5, SOX6, 및 SOX9 단백질은 150 KDa에서 이동하였다(적색 화살표). 내인성 SOX5, SOX6, 및 SOX9 단백질은 각각 110, 130, 및 90 KDa에서 이동하였다. 따라서, 다유전자성 SOX 유전자는 hMSCs 내로 형질감염되었으며 단백질로 번역되었다. 다유전자성 SOX 유전자의 hMSCs, 293T 세포 및 HeLa 세포로의 전달을 확인하기 위하여, 배양 2일 후에 Cy5.5 (SOX5), TRITC (SOX6), 및 FITC (SOX9)로 표지된 특이적 단일클론항체를 사용하여 면역조직화학 분석을 수행하였다(도 4B). 대조군 hMSCs가 SOX9 단백질을 약간 발현하였으나, 각각의 유전자로 형질감염된 hMSCs는 대응하는 항-SOX 항체 각각에 의해 높게 표지되었다(도 4B a, f, k). 그러므로, SOX9 단백질 및 mRNA는 hMSCs의 세포질과 핵에 존재하였다. SOX9 단백질은 단일클론항체에 의해 표지되었으며 녹색으로 나타난다(도 4B c, g). 시그널 유전자(single genes)의 전달과 대조적으로, 다유전자성 플라스미드로 처리된 hMSCs는 SOX5(Cy5.5), SOX6(RITC), 및 SOX9(FITC)를 나타내는 3개의 색을 나타내었다(도 4B m, n, o). 그러므로, 다유전자성 SOX 유전자의 형질감염은 SOX5, SOX6, 및 SOX9 단백질 발현을 유도하였으며, 이에 따라 각각 SOX5, SOX6, 및 SOX9을 나타내는 에머랄드, 적색, 및 녹색은 hMSCs의 세포질에서 선명하였다. 동일한 결과가 293T 및 HeLa 세포에서도 관찰되었다(도 10 및 도 11).To confirm the transfer of the polygenic SOX gene to hMSCs, 293T cells and HeLa cells, protein expression was analyzed by Western blotting ( FIG. 4A ). Exogenous SOX5, SOX6, and SOX9 proteins migrated at 150 KDa (red arrow). The endogenous SOX5, SOX6, and SOX9 proteins migrated at 110, 130, and 90 KDa, respectively. Thus, the polygenic SOX gene was transfected into hMSCs and translated into proteins. To confirm the transfer of the polygenic SOX gene to hMSCs, 293T cells and HeLa cells, specific monoclonal antibodies labeled with Cy5.5 (SOX5), TRITC (SOX6), and FITC (SOX9) after 2 days of culture was used for immunohistochemical analysis (FIG. 4B). Although control hMSCs slightly expressed SOX9 protein, hMSCs transfected with each gene were highly labeled by each of the corresponding anti-SOX antibodies (Fig. 4B a, f, k). Therefore, SOX9 protein and mRNA were present in the cytoplasm and nucleus of hMSCs. The SOX9 protein was labeled by the monoclonal antibody and appeared in green (Fig. 4B c, g). In contrast to the transfer of single genes, hMSCs treated with polygenic plasmids displayed three colors representing SOX5 (Cy5.5), SOX6 (RITC), and SOX9 (FITC) (Fig. 4B m). , n, o). Therefore, transfection of the polygenic SOX gene induced SOX5, SOX6, and SOX9 protein expression, thus emeralds, red, and green representing SOX5, SOX6, and SOX9, respectively, were evident in the cytoplasm of hMSCs. The same results were observed in 293T and HeLa cells ( FIGS. 10 and 11 ).

다유전자성 SOX 유전자를 사용한 hMSCs의 연골세포 분화를 확인하기 위하여, 전달 비히클들을 시험관내 배양 시스템에서 사용하였다. 연골세포 분화를 분석하기 전에, pDNA와 결합된 전달 비히클의 세포독성을 측정하였다(도 12). 낮은 용량(즉, 5 ㎍)이 사용되었을 때 어떠한 세포독성도 관찰되지 않았다.To confirm the chondrocyte differentiation of hMSCs using the polygenic SOX gene, delivery vehicles were used in an in vitro culture system. Before analyzing chondrocyte differentiation, the cytotoxicity of the pDNA-conjugated delivery vehicle was measured ( FIG. 12 ). No cytotoxicity was observed when lower doses (ie 5 μg) were used.

초기, 중기, 및 말기 연골세포와 마커 유전자를 먼저 RT-PCR로 검출하였다(도 5A). 초기 단계에서, 피브로넥틴(fibronectin) 마커 유전자가 발현되었으며, 이후 상기 마커 유전자의 발현은 감소하였다. 중기 단계에서, 초기 단계에서 발현되지 않았던 특정 마커 유전자가 5일 및 7일째에 발현되었다. 최종적으로, 연골세포의 가장 중요한 마커 유전자인 COL II가 발현되었다. 그러므로, 초기 및 중기 단계에서 hMSCs의 생존능 및 안정성은 다유전자성 SOX 유전자의 첨가에 의해 영향을 받지 않았다. hMSCs는 다유전자성 SOX 유전자의 전달시 연골세포로 분화되었다.Early, intermediate, and late chondrocytes and marker genes were first detected by RT-PCR (FIG. 5A). In the initial stage, a fibronectin marker gene was expressed, and then the expression of the marker gene was decreased. In the metaphase, specific marker genes that were not expressed in the early stage were expressed on days 5 and 7. Finally, COL II, the most important marker gene for chondrocytes, was expressed. Therefore, the viability and stability of hMSCs in the early and metaphase stages were not affected by the addition of the polygenic SOX gene. hMSCs differentiated into chondrocytes upon delivery of the polygenic SOX gene.

연골세포의 성숙과 관련된 특이적 마커 유전자의 수준은 시험관내에서 RT-PCR로 분석하였다(도 5B). 연골세포 분화와 연관된 유전자는 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs의 전달시 발현되었다. COL II는 이들 나노입자의 형질감염시 높게 발현되었다. PEI를 사용하여 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드만으로 형질감염된 hMSCs는 COL II와 같은 유전자의 증가된 발현을 나타내었다. 그러나, COMP 및 aggrecan 유전자 발현은, 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 형질전환된 hMSCs에 비하여, 이들 세포에서 더 낮게 발현되었다.Levels of specific marker genes associated with chondrocyte maturation were analyzed by RT-PCR in vitro ( FIG. 5B ). Genes associated with chondrocyte differentiation were expressed upon delivery of polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. COL II was highly expressed upon transfection of these nanoparticles. hMSCs transfected with only the polygenic SOX plasmid bound using PEI showed increased expression of genes such as COL II. However, COMP and aggrecan gene expression was lower in these cells compared to hMSCs transformed with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs.

성숙 연골세포의 매우 중요한 성분인 GAG를 2차원 배양 시스템에서 시험하였다(도 5C). DNA 함량으로 보정된 GAG 함량은 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 처리된 hMSCs에서 가장 높았다. 그러므로, 다유전자성 SOX 유전자뿐만 아니라 덱사메타손도 hMSCs의 연골세포 분화를 위한 중요한 인자이다.GAG, a very important component of mature chondrocytes, was tested in a two-dimensional culture system (Fig. 5C). GAG content corrected for DNA content was highest in hMSCs treated with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. Therefore, dexamethasone as well as polygenic SOX gene are important factors for chondrocyte differentiation of hMSCs.

연골 조직 형성을 포함한, 세포외 기질(extracellular matrix, ECM)을 검출하기 위하여, 프로테오글리칸(proteoglycan) 및 폴리사카라이드(polysaccharides)와 같은 특이적 ECM 성분의 조직학분석을 수행하였다(도 5D). 각각 사프라닌-O 및 알시안 블루 염색에 따른 오렌지 및 청색 표지는 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs의 처리시에 뚜렷하였다(도 5D d, h). 상기 염색은 PEI를 사용하여 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드로 처리시에도 또한 뚜렷하였다. 그러나, 대조군 처리의 경우 및 빈-코팅된(mock-coated) DEX-loaded NPs 처리의 경우에는, 특이적 ECM 성분이 알시안 블루 및 사프라닌-O 염색에 의해 검출되지 않았다(도 5D a, b, e, f). 그러므로, SOX 유전자로 형질감염되지 않은 hMSCs는 연골세포 분화가 일어나지 않은 반면, PEI 혹은 DEX-loaded NPs와 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드의 형질전환은 연골세포로의 분화를 자극하였다.To detect extracellular matrix (ECM), including cartilage tissue formation, histological analysis of specific ECM components such as proteoglycan and polysaccharides was performed (Fig. 5D). Orange and blue labels according to safranin-O and Alcian blue staining, respectively, were evident upon treatment of polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs (Fig. 5D d, h). The staining was also evident upon treatment with the polygenic SOX plasmid bound using PEI. However, for the control treatment and for the mock-coated DEX-loaded NPs treatment, no specific ECM component was detected by Alcian Blue and Safranin-O staining (Fig. 5D a, b, e, f). Therefore, hMSCs that were not transfected with the SOX gene did not undergo chondrocyte differentiation, whereas transformation of the polygenic SOX plasmid coupled with PEI or DEX-loaded NPs stimulated differentiation into chondrocytes.

마손 트리크롬 염색의 이미지를 확대함으로써, 성숙 연골세포를 나타내는 연골소강(lacunae)의 전형적인 세포 형성을 PEI를 사용하여 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드 또는 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 처리된 hMSCs에서 관찰하였다(적색 화살표)(도 5E c, d). 이들 이미지에서, 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 처리시에 콜라겐 섬유가 세포를 둘러싸았다(황색 화살표)(도 5E d). 그러므로, 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs는 hMSCs가 분화하도록 유도하였다. 이러한 결과는 알시안 블루 및 사프라닌-O 염색의 확대 이미지와 일치한다(도 13A, B). 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 형질감염된 hMSCs는 이들 이미지에서 뚜렷한 염색 및 명백한 연골소강(lacunae) 형성을 나타내었다(도 13A, B, d).By magnifying images of Masson's trichrome staining, cell formation typical of lacunae representing mature chondrocytes was treated with polygenic SOX plasmids or polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs bound using PEI. hMSCs (red arrow) (Fig. 5E c, d). In these images, collagen fibers surrounded the cells upon treatment with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs (yellow arrows) ( FIG. 5E d ). Therefore, polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs induced hMSCs to differentiate. These results are consistent with enlarged images of alcian blue and safranin-O staining (Fig. 13A, B). hMSCs transfected with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs showed clear staining and clear lacunae formation in these images (Fig. 13A, B, D).

3차원(3D) 배양 시스템에서, 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 처리된 hMSCs를 RT-PCR로 평가하였다(도 6A). 전형적인 마커 유전자인 SOX9, COL II, aggrecan, 및 COMP가 이들 hMSCs에서 높게 발현되었으며, COL II 발현이 명백하게 관찰되었다. 그러나, 골 형성의 특이적 마커 유전자인 제1형 콜라겐(type I collagen, COL I)은 이들 hMSCs에서 발현되지 않았다. 그러므로, 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded PLGA 나노입자의 형질감염은, 골세포 분화가 아닌, hMSCs의 연골세포 분화를 유도한다.In a three-dimensional (3D) culture system, hMSCs treated with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs were evaluated by RT-PCR (Fig. 6A). Typical marker genes, SOX9, COL II, aggrecan, and COMP, were highly expressed in these hMSCs, and COL II expression was clearly observed. However, the specific marker gene for bone formation, type I collagen (COL I), was not expressed in these hMSCs. Therefore, transfection of polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded PLGA nanoparticles induces chondrocyte differentiation of hMSCs, but not osteocytic differentiation.

발현수준을 정량분석하기 위하여 실시간 qPCR을 수행하였다. 다유전자성 SOX 유전자의 형질감염시, COL II 유전자가 높게 발현된 반면, 다른 전달 비히클 및 빈 유전자(mock gene)는 유전자 발현에 영향을 주지 않았다(도 6B). COMP 및 aggrecan을 포함한 마커 유전자의 발현 수준은 다른 군에 비하여 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 형질전환된 hMSCs에서 현저히 더 높았다. 그러므로, 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs는 hMSCs의 연골세포 분화를 효과적으로 유도함을 알 수 있다.Real-time qPCR was performed to quantitatively analyze the expression level. Upon transfection of the polygenic SOX gene, the COL II gene was highly expressed, whereas other delivery vehicles and mock genes did not affect gene expression ( FIG. 6B ). The expression levels of marker genes including COMP and aggrecan were significantly higher in hMSCs transformed with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs compared to other groups. Therefore, it can be seen that polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs effectively induce chondrocyte differentiation of hMSCs.

형질감염된 hMSCs의 연골세포 분화로 인한 연골 조직 형성을 확인하기 위하여, 조직의 주요 성분인 GAG을 평가하였다(도 7A). 다양한 hMSCs의 정확한 GAG 함량을 측정하였으며, 유리된 GAG 함량을 계산하고, 총 DNA 함량으로 보정하였다. 이 방식으로, 상이한 방법으로 처리된 hMSCs의 GAG/DNA 함량(보정된 GAG 함량)을 결정하였다. 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 처리된 hMSCs는 높은 함량을 갖는 반면, 대조군 및 빈(mock)-형질감염된 hMSCs는 더 낮은 함량을 가졌다. 그러므로, 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs는 hMSCs의 연골세포 분화를 야기함으로써 연골세포가 됨을 알 수 있다.In order to confirm the formation of cartilage tissue due to chondrocyte differentiation of the transfected hMSCs, GAG, a major component of the tissue, was evaluated ( FIG. 7A ). The exact GAG content of various hMSCs was measured, and the free GAG content was calculated and corrected for the total DNA content. In this way, the GAG/DNA content (corrected GAG content) of hMSCs treated with different methods was determined. hMSCs treated with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs had a high content, whereas control and mock-transfected hMSCs had a lower content. Therefore, it can be seen that polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs become chondrocytes by causing chondrocyte differentiation of hMSCs.

다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 처리된 hMSCs의 형태적 및 기능성 변화를 조직학적으로 분석하였다(도 7B). 각각 알시안 블루 및 사프라닌-O 염색으로 청색 및 오렌지색 표지화에 의해 시각화한 바와 같이, 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 처리된 hMSCs는 연골 조직의 ECM 성분인 프로테오글리칸 및 폴리사카라이드를 생성하였다. 또한, 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs의 처리는 H&E으로 염색된 세포의 수를 증가시켰다(도 14). 그러나, 대조군 및 빈-처리된(mock-treated) hMSCs는 매우 조밀하지 않았으며, 매트릭스 주위에 넓게 염색되게 나타나지 않았다(도 7). 또한, 연골소강 형성이 세포 주위의 부위뿐만 아니라 중심 부위에서도 관찰되었다(도 7B m, n).The morphological and functional changes of hMSCs treated with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs were histologically analyzed (Fig. 7B). hMSCs treated with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs, as visualized by blue and orange labeling with Alcian blue and safranin-O staining, respectively, proteoglycans and polysaccharides, which are ECM components of cartilage tissue. was created. In addition, treatment with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs increased the number of cells stained with H&E ( FIG. 14 ). However, control and mock-treated hMSCs were not very dense and did not appear to stain widely around the matrix ( FIG. 7 ). In addition, chondrocyte formation was observed not only in the cell periphery but also in the central region (Fig. 7B m, n).

SOX9, COL II, aggrecan, 및 COMP와 같은 특이적 단백질의 생성은 연골세포 형성에 중요하다. 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 처리된 hMSCs로부터 유리된 특이적 단백질을 웨스턴 블럿팅에 의해 평가하였다(도 8A). SOX9, COL II, aggrecan, 및 COMP는 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 처리된 hMSCs에서 높게 발현되었다. 그러나, 이들 세포는 골세포 분화 마커 단백질인 COL I을 발현하지 않았다. 그러므로, 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs의 형질감염은 hMSCs의 연골세포 분화를 유도한다. 대조적으로, 대조군 및 빈-처리된(mock-treated) hMSCs는 이들 단백질을 높은 수준으로 나타내지 않았다.The production of specific proteins such as SOX9, COL II, aggrecan, and COMP is important for chondrocyte formation. Specific proteins isolated from hMSCs treated with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs were evaluated by Western blotting ( FIG. 8A ). SOX9, COL II, aggrecan, and COMP were highly expressed in hMSCs treated with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs. However, these cells did not express COL I, an osteocytic differentiation marker protein. Therefore, transfection of polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs induces chondrocyte differentiation of hMSCs. In contrast, control and mock-treated hMSCs did not display high levels of these proteins.

다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs로 처리된 hMSCs에 의한 연골조직-특이적 단백질인 COL II 및 SOX9의 생산을 평가하여 이들 hMSCs의 연골세포 분화를 판단하였다. 이들 hMSCs의 3D 배양에서, 세포 펠렛은 COL II 및 SOX9 항체에 의해 명백하게 염색되었다(도 8B d, h). COL II는 널리 분포하였으며, SOX9은 연골소강 주위에 위치하였다(백색 화살표)(도 8B m, n). hMSCs를 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs 혹은 PEI를 사용하여 결합된 다유전자성 SOX 플라스미드 단독으로 처리하지 않았을 때, 세포 펠렛은 COL II 및 SOX9에 대하여 염색되지 않았다. COL II는 DAB 염색으로 명확히 검출되었다(도 15). 그러므로, 다유전자성 SOX 유전자로 형질감염되지 않은 hMSCs는 연골세포로 분화되지 않고 미분화된 채로 남아있다.The production of cartilage-specific proteins COL II and SOX9 by hMSCs treated with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs was evaluated to determine chondrocyte differentiation of these hMSCs. In 3D culture of these hMSCs, the cell pellet was clearly stained by COL II and SOX9 antibodies (Fig. 8B d, h). COL II was widely distributed, and SOX9 was located around the cartilaginous cavities (white arrows) (Fig. 8B m, n). When hMSCs were not treated with polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs or polygenic SOX plasmids bound using PEI alone, cell pellets were not stained for COL II and SOX9. COL II was clearly detected by DAB staining (FIG. 15). Therefore, hMSCs that are not transfected with the polygenic SOX gene do not differentiate into chondrocytes and remain undifferentiated.

3. Conclusion3. Conclusion

본 연구에서 3개의 SOX 유전자를 포함하는 다유전자성 플라스미드가 제작되었고, hMSCs의 연골세포 분화를 유도하는 이의 능력이 확인되었다. 다유전자성 SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs는 안전하고 안정적으로 세포내로 유입되며, 또한 hMSCs에서 유전자 발현을 증진시키는 유전자 전달 시스템으로서 적합하다. 외인성 다유전자성 SOX5, SOX6, 및 SOX9 유전자는 시험관내 배양 시스템뿐만 아니라 3D 배양 시스템에서도 hMSCs의 연골세포 분화를 유도하였다.In this study, a polygenic plasmid containing three SOX genes was constructed, and its ability to induce chondrocyte differentiation of hMSCs was confirmed. Polygenic SOX pDNA-coated DEX-loaded NPs are safely and stably introduced into cells and are suitable as a gene delivery system for enhancing gene expression in hMSCs. The exogenous polygenic SOX5, SOX6, and SOX9 genes induced chondrocyte differentiation of hMSCs in 3D culture systems as well as in vitro culture systems.

<110> College of Medicine Pochon CHA University Industry-Academic Cooperation Foundation <120> Gene delivery system for reconstruction or regeneration of chondrocytic tissue and method for differentiation to chondrocytes using the same <130> PN0788 <160> 20 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 43 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 1 catactagtg ctagcgccac catgcttact gaccctgatt tac 43 <210> 2 <211> 123 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 2 catggatccg gtacctggac ctggattgct ttctacatcc ccagccagtt tgagtaaatc 60 aaagttaaga gtttgtttga caggagcgac aattttctcg aggttggctt gtcctgcaat 120 atg 123 <210> 3 <211> 44 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 3 catagatctg gatccatggg aagaatgtct tccaagcaag ccac 44 <210> 4 <211> 119 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 4 catgcggccg ctggacctgg attgctttct acatccccag ccagtttgag taaatcaaag 60 ttaagagttt gtttgacagg agcgacaatt ttaccggtgt tggcactgac agcctccgg 119 <210> 5 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<130> PN0788 <160> 20 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 43 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 1 catactagtg ctagcgccac catgcttact gaccctgatt tac 43 <210> 2 <211> 123 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 2 catggatccg gtacctggac ctggattgct ttctacatcc ccagccagtt tgagtaaatc 60 aaagttaaga gtttgtttga caggagcgac aattttctcg aggttggctt gtcctgcaat 120 atg 123 <210> 3 <211> 44 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 3 catagatctg gatccatggg aagaatgtct tccaagcaag ccac 44 <210> 4 <211> 119 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 4 catgcggccg ctggacctgg attgctttct acatccccag ccagtttgag taaatcaaag 60 ttaagagttt gtttgacagg agcgacaatt ttaccggtgt tggcactgac agcctccgg 119 <210> 5 <211> 57 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 5 catgcggccg ctatgccaaa gaaaaagcga aaggtcaatc tcctggaccc cttcatg 57 <210> 6 <211> 33 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 6 cattctagat 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Claims (10)

락트산과 글리콜산의 공-중합체의 나노입자 상에, SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터; 및 덱사메타손을 결합시켜 얻어진, 연골조직 재건 또는 재생을 위한 유전자 전달체.a plasmid vector comprising a SOX5 gene, a SOX6 gene, and a SOX9 gene on nanoparticles of a co-polymer of lactic acid and glycolic acid; And obtained by binding dexamethasone, a gene delivery system for cartilage tissue reconstruction or regeneration. 제1항에 있어서, 상기 락트산과 글리콜산의 공-중합체의 나노입자와 덱사메타손과의 결합이 (a) 락트산과 글리콜산의 공-중합체의 나노입자 및 덱사메타손을 수-비혼화성 유기용매 중에 용해시키는 단계; (b) 단계(a)에서 얻어진 용액에 폴리비닐알코올 수용액을 첨가한 다음, 초음파처리하여 에멀젼을 형성시키는 단계; 및 (c) 단계(b)에서 얻어진 에멀젼을 이소프로판올 및 폴리비닐알코올을 함유하는 수용액에 첨가하고, 교반 및 건조하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 유전자 전달체.The method according to claim 1, wherein the binding of the nanoparticles of the co-polymer of lactic acid and glycolic acid with dexamethasone comprises (a) dissolving the nanoparticles of the co-polymer of lactic acid and glycolic acid and dexamethasone in a water-immiscible organic solvent. step; (b) adding an aqueous polyvinyl alcohol solution to the solution obtained in step (a), followed by sonication to form an emulsion; and (c) adding the emulsion obtained in step (b) to an aqueous solution containing isopropanol and polyvinyl alcohol, followed by stirring and drying. 제1항에 있어서, 상기 락트산과 글리콜산의 공-중합체의 나노입자 및 플라스미드 벡터와의 결합이, 덱사메타손이 결합된 락트산과 글리콜산의 공-중합체의 나노입자를 폴리에틸렌이민과 반응시킨 후, 상기 SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터를 반응시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 유전자 전달체.The method according to claim 1, wherein the binding of the nanoparticles of the co-polymer of lactic acid and glycolic acid with the plasmid vector is performed after reacting the nanoparticles of the co-polymer of lactic acid and glycolic acid with dexamethasone with polyethyleneimine. A gene delivery system characterized in that it is carried out by reacting a plasmid vector comprising a SOX5 gene, a SOX6 gene, and a SOX9 gene. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 SOX5 유전자, SOX6 유전자, 및 SOX9 유전자를 포함하는 플라스미드 벡터가 락트산과 글리콜산의 공-중합체 1g에 대하여 0.5 ∼ 10 mg 비율의 범위로 결합되는 것을 특징으로 하는 유전자 전달체.The gene delivery system according to claim 1, wherein the plasmid vector comprising the SOX5 gene, the SOX6 gene, and the SOX9 gene is bound in the range of 0.5 to 10 mg with respect to 1 g of the co-polymer of lactic acid and glycolic acid. 제1항에 있어서, 상기 덱사메타손이 락트산과 글리콜산의 공-중합체 1g에 대하여 5 ∼ 20 mg 비율의 범위로 결합되는 것을 특징으로 하는 유전자 전달체.The gene delivery system according to claim 1, wherein the dexamethasone is bound in a ratio of 5 to 20 mg based on 1 g of the co-polymer of lactic acid and glycolic acid. 제1항 내지 제3항, 제6항, 및 제7항 중 어느 한 항에 따른 유전자 전달체로 골수-유래 중간엽 줄기세포를 형질감염시키는 것을 포함하는, 중간엽 줄기세포의 연골세포로의 분화방법.The differentiation of mesenchymal stem cells into chondrocytes, comprising transfecting the bone marrow-derived mesenchymal stem cells with the gene delivery agent according to any one of claims 1 to 3, 6, and 7 Way. 제8항에 있어서, 상기 형질감염이 상기 유전자 전달체를 포함하는 무혈청 배지 중에서 골수-유래 중간엽 줄기세포를 배양을 수행함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 분화방법.The differentiation method according to claim 8, wherein the transfection is performed by culturing bone marrow-derived mesenchymal stem cells in a serum-free medium containing the gene carrier. 삭제delete
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