KR20040064004A - 세포 배양에 대한 기질 또는 기저막으로서 양막의 이용과이를 이용한 세포 치료제로서의 제조 방법 및 이의 용도 - Google Patents

세포 배양에 대한 기질 또는 기저막으로서 양막의 이용과이를 이용한 세포 치료제로서의 제조 방법 및 이의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생체 소재인 양막 위에 각종 상피성 조직을 배양한 생인공 조직의 제조와 세포치료제로서의 용도에 관한 것으로, 구체적으로는 조직으로부터 자가세포를 분리하여 이를 태반으로부터 분리한 양막 위에 배양, 증식시킨 형태의 인공조직을 제공한다. 본 발명의 인공조직은 피부의 경우 심부 2도 이상의 화상, 각막의 경우 각막 이식을 필요로 하는 상처에 면역거부반응 없이 직접 적용이 가능하다. 이러한 기술은 양막을 각종 상피성 세포 배양에 대한 기저막으로서 이용함에 따라 최종 세포배양 후 플레이트로부터 세포를 분리할 필요가 없으며, 따라서 기존 배양 방법에 사용되던 세포 분리를 위한 효소의 사용 필요성이 없으며, 이에 따른 세포 손상이 없는 잇점을 제공한다. 또한 세포 배양의 기질로서 양막을 이용함에 따라 기존 피부 화상치료 방법인 바세린 거즈에 고정하는 방법과 비교하여, 물리적인 강도가 우수함에 따라 상처부위 적용시 수포의 형성이 없는 적절한 시술이 용이하며, 아울러 양막을 이용함에 따라 보다 높은 생착율을 가지며, 양막 자체의 상처 치유 촉진 효능을 갖는 잇점을 제공한다.

Description

세포 배양에 대한 기질 또는 기저막으로서 양막의 이용과 이를 이용한 세포 치료제로서의 제조 방법 및 이의 용도 {A use of amnion as a substrate or basement membrane for cell culture, the method for preparing them and the use thereof}
본 발명은 태반으로부터 분리된 생체 소재인 양막상에 각종 상피조직세포를 배양한 것을 특징으로 하는 생인공조직의 제조 방법과 이의 세포치료제로서의 용도에 관한 것이다.
일반적으로, 2도 이내의 가벼운 화상의 경우처럼 피부의 손상이 표피에 국한될 경우에는 피부조직의 재생이 가능하지만 화상이 진피 심층부, 혹은 피하에 미친 경우 손상의 정도에 따라서는 상처부위에 피부 자체 재생능력이 없어져 버리는 경우가 있다. 이 경우에는 환자의 화상을 입지 않은 부분으로부터 피부를 채취하여 상처부위에 옮겨주는 피부이식수술이 필요하게 된다. 채취하는 피부의 두께는 피부이식을 실시하는 부위와 상처의 정도에 따라서 결정되며, 1회의 수술로 체표면의 20%~30%에 해당하는 피부이식술도 행해지지만 수상면적이 그 이상이 되면 몇 회를 나누어 수술을 해야 하며 그에 따른 기간이 길어진 만큼 감염증을 일으키어 생명을 잃는 위험이 증가하게 된다. 또한 수상면적의 증대는 피부의 채취 가능한 면적의 감소를 의미해 피부를 채취한 후에 피부가 재생되는 것을 2주 정도 기다려 재차 피부를 채취하는 경우도 있다. 화재 등의 사고에 의한 체표면의 60%에 3도 화상을 입은 경우 남은 40%의 체표면도 어느 정도의 손상을 입는 경우가 많아서 충분히 피부를 채취하는 것이 불가능하여 생존율은 더욱 낮아져 버리는 것이 현실이며, 타인의 피부가 사용되는 경우 장기이식과 같은 거부 반응이 올 수 있으므로 전신적 또는 국소적으로 면역억제제를 사용하는데 이러한 약으로 인한 부작용이 올 수 있다. 그래서 이러한 현재의 치료기술은 좀 더 발전되어야 할 필요에 당면해 있으며, 이러한 소망을 현실적으로 가능하게 하여 줄 수 있는 학제간의 공동 연구 분야로 대두된 기술이 조직공학(Tissue Enginnering)이다. 현재 미국의 경우 조직이나 장기의 결함으로 고통받는 환자의 치료비가 매년 4천억 달러가 넘고, 수술횟수도 8백만 건 이상이 된다고 한다. 현재 추산으로는 조직공학 제품의 시장수요는 매년 800억불 규모로 보고되고 있다(Nuremet al.; Tissue Enginneering1.3(1995)). 1980년대에 집중적으로 개발되기 시작한 생인공피부 (bioartificial skin)가 미국의 벤처기업인 오가노제네시스 (Organogenesis) 회사에 의해 1988년에 미국 FDA로부터 판매승인을 얻어 시판되어 임상에 이용된 후로, 현재 약 20여 가지의 다른 인체조직으로부터 유래된 조직공학제품이 연구개발 또는 임상실험에 들어가 있다.
일본에서는 1988년 마리아나 (Marianna) 대학 의학부 성형외과에서 쿠마가이 등도 표피조직을 이용한 피부 조직편을 실제 치료에 이용하여 좋은 임상결과를 얻었음을 보고하였다(Kumagaiet al.;Plast. Reconstruc. Surg., 82,pp99-108, 1988). 이들은 화상환자의 표피조직을 마우스 3T3 세포주와 함께 배양하여 2~3주만에 350~2250cm2의 조직을 만들어 화상부위에 이식하여 오염되지 않고 상처부위에 잘 생착하였음을 보고하였다. 또한 1995년 교토 (Kyoto) 대학의 스즈키 등은 야나스 (Yannas)와 버크 (Burke)의 전형적인 콜라겐 스폰지를 안쪽층으로하고 바깥층에는 실리콘막을 조합한 이층구조의 인공피부를 제조하여 23명의 환자에 임상시술을 한 바있다(Suzukiet al.;Br. J. Plast. Surg., 48,pp222-229, 1995).
미국의 U.C 샌디에고 대학 의학센터의 보이스 (Boyce)는 1980년대 초부터 인공피부 연구에 관련된 제안을 많이 한 것으로 유명한데, 인체 피부의 각질세포 배양을 위한 무혈청배지의 조성을 개발하고 이를 통한 각질세포의 장기배양, 냉동저장 등에 대해 꾸준히 연구결과를 발표하고 있다. 특히 글리코사미노글리칸 (Glycosaminoglycans, GAGs)를 콜라겐의 다공성 복합막에 적용하여 인체 각질세포의 배양을 위한 인공피부의 진피 지지층으로 사용하였다.
또한 국내에서도 환자의 표피 일부를 분리 및 배양하여 이를 다시 환자 자신에게 이식하는 배양피부에 대한 상품화가 진행 중이며, 자가세포치료제로서의 품목허가 및 임상시험 진행 중에 있다.
이러한 배양피부 또는 표피의 분리 및 배양 기술은 1980년 미국의 하워드 그린 (Howard Green) 박사에 의한 개발된 방법으로서 환자의 표피 일부를 분리 및 배양하여 제조된 배양피부는 이식 후 환자 자신의 체액으로부터 영양분을 흡수해 분열, 증식을 재개하여 창상부위의 피하조직과 부착하면서 다층화된 표피를 갖는 것으로 체액 증발, 병원균 감염 등의 방어보호 및 이식된 자가표피세포에 의한 상처재생을 촉진하게 된다. 그러나 이러한 기술의 경우 훌륭한 방법임에도 불구하고 실제 임상 적용시 다음과 같은 단점을 가지고 있다.
표피세포의 배양 후 디스파제(Dispase) 등의 효소처리를 통해 떼어낸 배양피부는 시술시 말리거나 찢어지는 단점을 보강키 위해 물리적강도 보완을 위한 보강재로서 바세린(vaselin) 가제를 배양표피의 각질층에 금속 크립으로 고정을 한 후 운반되며, 이식술시 바세린 가제를 외측(상처반대면)으로 하여 창상부위에 대고 밀착성을 유지하기 위해 가제와 함께 봉합을 하게 된다. 그러나 이러한 보강재로서의 바세린 가제는 배양표피의 운반 용이성, 의사의 시술조작 용이성을 위한 보강재이지 배양피부 자체의 기계적 강도를 개선하기 위한 것은 아니므로, 배양피부가 창상에 완전히 부착할 때까지의 기간, 외부로부터 가해지는 기계적인 힘에 약하다는 단점이 지적되고 있으며, 이러한 이유 때문에 환자는 이식피부위가 위쪽으로 가도록 하여 침대에 누워있어야 하며, 한번에 가능한 이식 면적에 한계가 있음으로, 예를 들면 가슴의 식피가 붙고 나서 등(back)을 하는 등 수술 일정이 길어지는 단점을 갖게 된다.
또한 기존 배양피부의 경우, 생체내 시험(in vivo)의 기저막 성분이 없으며, 배양피부의 분리시 효소를 처리함에 따른 세포 손상이 있으며, 내구성이 약함에 따라 이식술이 불편하며, 창상과 배양피부 사이에 수포가 형성되고, 생착율이 낮은 단점이 있으며, 이에 대한 해결 방안이 요구된다.
따라서, 배양피부의 기계적 강도를 증가시키면서도 창상에 대한 좋은 생착율을 갖는 보다 적극적인 상처 치유 효과와 더불어 피부의 기저막 성분이 포함된 생체적합성 배양표피의 개발이 오래동안 희구되어 왔다.
본 발명자의 연구팀은 이미 콜라겐 실을 망사(mesh)형태로 제조하여 이를 콜라겐 스폰지에 삽입함으로써 인장강도가 크게 개선된 강화형 콜라겐 스폰지를 제조한 바 있으며(한국특허 출원공고번호 제 2002-0304348호), 또한 생체소재인 양막과 생분해성 고분자로 구성된 이식용 진피대체물을 개발한 바 있는데(한국특허 출원공고번호 제2002-0059308호), 이에 대한 연구를 더욱 진전시켜, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 태반에서 분리된 생체소재인 양막을 이용하여 양막 위에 상피조직세포를 배양한 후 양막을 포함하여 창상에 이식하는 것으로서, 배양상피세포의 분리를 위하여 효소를 이용할 필요가 없으며, 양막 자체의 훌륭한 내구성과 좋은 생착율을 가진 보다 적극적인 창상 치유 효과를 가진 기저막이 포함된 배양피부를 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 배양된 상피 조직의 제조에 있어 생체적합성이 우수한 양막을 이용함으로써 좋은 내구성과 생착율을 가진, 보다 적극적인 창상 치유 효과를 가진 기저막 성분이 포함된 배양상피 조직을 제공하는 것이다.
도 1a 는 양막의 상피세포를 제거하기 전의 양막 표피면의 주사식 전자현미경 사진이고,
도 1b 는 본 발명의 양막의 상피세포를 제거한 후의 양막 표피면의 주사식 전자현미경 사진이고,
도 2a 는 양막의 상피세포를 제거하기 전의 양막 단면에 대한 투과식 전자현미경 사진이며,
도 2b 는 본 발명의 양막의 상피세포를 제거한 후의 양막 단면에 대한 투과식 전자현미경 사진이며,
도 3 은 본 발명의 양막의 상피세포를 제거한 후 인체 피부 각질세포를 배양한 조직검사(H&E 염색) 사진이고,
도 4a 는 외식 방법(explantation method)에 의해 토끼의 각막 윤부(limbal)로부터 자라나오는 각막 상피세포에 대한 전자 현미경 사진이고,
도 4b 는 본 발명의 양막 위에 각막 윤부로부터 분리되어 배양된 각막상피세포의 침수 배양 1일째의 전자현미경 사진이며,
도 4c 는 본 발명의 양막 위에 각막 윤부로부터 분리되어 배양된 각막상피세포의 기-액 배양 실시 7일째의 세포 분화 형태를 관찰한 조직검사 (H&E 염색)사진이고,
도 5 는 본 발명의 양막 위에 모낭으로부터 분리된 외측모근초 줄기세포를 이용하여 배양 표피로의 분화된 형태를 관찰한 조직검사 (H&E 염색) 사진이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 태반으로부터 분리된 생체적합성 양막과 이를 이용한 각종 세포 배양을 특징으로 하는 배양된 세포치료제의 제조 방법 및 이의 용도를 제공한다.
또한, 상기 배양되는 세포는 각질형성세포, 연골세포, 골세포, 섬유모세포, 근육세포, 각막세포, 각막간세포, 모발간세포(외측모근초 줄기세포)로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 것을 포함한다.
상기 양막은 인양막, 소양막, 돼지 양막 등이 사용될 수 있으며, 양막 구조물의 형태는 더블링(double ring), 인서트(insert) 또는 실리콘 링(ring)을 이용한 막(sheet) 형태 구조물 또는 망사(mesh) 형태 구조물 또는 각막 치료를 위한 트레판과 같은 천공된 형태로 제조될 수 있으며, 이의 구조물 위에 세포를 배양하는 것을 포함한다.
본 발명의 양막을 이용한 배양된 세포 조직을 제조하기 위해서는, 기저막 성분이 보존된 상태의 세포 기질로서의 양막을 제조한 후, 세포를 배양하는 것으로서 그 과정은 다음과 같다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
각종 상피성 조직의 재생에 있어서 기저막(basement membrane)의 중요성은 널리 알려져 있다. 그러나 세포 분화에 대한 기저막의 역할이나 성분에 대한 정보는 아직 밝혀지지 않은 것이 많은 실정이다. 피부의 기저막이나 각막의 두 기저막인 보우만씨 막(Bowman's membrane) 및 데스메트 막(Descemet's membrane) 또한 인위적으로 만들 수 없는 것이 현실이다.
따라서 본 발명은 기저막 성분이 보존된 상태의 양막에 세포를 배양함으로써 기존 세포에 의한 치료 효과에 더하여 양막 자체의 특성을 이용한 치료 효과를 향상시킨 데에 그 특징이 있다.
본 발명의 배양 세포기질로서의 양막은 (a) 기저막이 보존된 상태로 양막을 처리하는 단계 및 (b) 상기 처리된 양막에 세포를 배양하는 단계를 필수적으로 포함하는 제조공정에 의해 제조될 수 있다.
또한 본 발명의 양막은, (a)단계에서 기저막이 보존된 상태로 양막을 처리한 후, (c)양막 자체의 표피세포를 제거하는 단계, (d)상기 양막에 가교처리하는 단계 또는 (e)상피세포의 원할한 부착을 위하여 콜라겐 또는 생체활성인자 등으로 양막을 코팅처리하는 단계로부터 선택된 하나이상의 단계를 연속적으로 수행한 다음. 상기 (b)단계의 양막에 세포를 배양하는 단계를 수행하는 것을 필수적으로 포함하는 제조공정에 의해 제조될 수 있다.
구체적으로, (a)단계의 사용 가능한 양막은 기저막 성분이 잘 보존되어 있으며, 세포가 잘 부착하여 증식 및 분화할 수 있는 기질로서의 역할을 하여야 하며, 이식 후 염증반응이나 이물반응을 일으키지 않도록 면역학적으로 불활성이어야 하며, 일정기간 지난 후에는 스스로 분해, 흡수되어 이물질로 남지 않아야 한다.
본 발명의 양막은 사람, 소, 돼지, 말, 양, 개, 토끼 또는 쥐 등으로부터 유래되며, 바람직한 실시예에서는 산모의 제왕절개시 자연적으로 적출되는 태반으로부터 인양막을 분리하여 사용하였다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 하나의 실시형태에 따르면, 세포 배양 기질로서 사용하기 위하여 양막의 상피세포를 제거하는 (c)단계가 제공된다.
본 발명에 의한 양막의 상피세포 제거 단계에서, 태반으로부터 양막을 분리한 후, 단백질 분해 효소를 처리하거나 또는 용액의 이온강도를 변화시키거나 또는 계면활성제를 처리하여 상피세포를 제거하는 것이 바람직하다.
이때 사용 가능한 단백질 분해 효소로는 트립신, 디스파아제(dispase) 등의 단백질 분해 효소를 이용하는 것이 가능하며, 용액의 이온강도 변화를 위해서는 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)과 1몰 이상의 염화나트륨을 이용하는 것이 가능하다. 또한 세포막의 주성분이 인지질로 구성됨에 따라 여러 가지 계면활성제를 이용하여 조직의 손상없이 세포를 제거할 수 있으며, 이를 위하여 소듐도데실설페이트(SDS)와 같은 이온성 계면활성제 또는 트윈20 (Tween20), 트윈40, 트윈60, 트윈80, 트리톤 엑스-100과 같은 비이온성 계면활성제 등이 이용가능하다.
또한 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 인체 이식시 분해되는 시간을 늦추기 위하여 양막을 종래의 가교 방법으로 가교시킴으로써 인체 이식시 생분해도를 지연시키는 (d)단계가 제공된다.
본 발명에 의한 가교처리 단계는 종래의 가교 방법인 글루타르알데하이드(glutaraldehyde) 나 1,3-카보디이미드(1,3-carbodiimide), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate) 또는 글루코스(glucose), 리보오스(ribose), 디오스(diose), 트리오스(triose), 테트로스(tetrose), 펜토스(pentose), 헥소스(hexose), 셉토스(septose), 옥토스(octose), 나노스(nanose), 데코스(decose), 글리세로스(glycerose), 트레오스(threose), 에리트로스 (erythrose), 리소스(lyxose), 자일로스(xylose), 아라비노스(arabinose), 알로오스 (allose), 알트로스(altrose), 만노스(mannose), 이도스(idose), 굴로스 (gulose), 갈락토스(galactose), 탈로스(talose) 등의 당을 이용함으로써 가교하는 것이 가능하다.
또한 본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 콜라겐 또는 생체 활성인자로 양막을 코팅함으로써 세포 배양을 위한 기질로서 이용하는 (e)단계가 제공된다.
본 발명의 양막의 콜라겐 코팅 단계는 상기의 처리에 의하여 상피세포가 제거된 양막 또는 상피세포가 제거되지 않은 양막에 세포 배양을 위한 세포의 원할한 부착을 위한 것으로, 타입-Ⅰ 또는 타입-Ⅳ 콜라겐을 산이나 염 수용액, 또는 중성 용액에 0.01%~0.3%(w/v) 농도로 녹인 후 양막에 코팅하여 얻을 수 있다. 이때 콜라겐으로는 생체 유래의 타입-Ⅰ 콜라겐을 산 처리하여 얻은 텔로 콜라겐(Telo collagen) 또는 펩신 처리하여 텔로머 부분을 제거한 아텔로 콜라겐 (Atelo collagen)이거나, 또는 이의 열변성처리를 한 젤라틴을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 양막의 세포배양 기질로서 뿐만 아니라 상처 치유 드레싱으로서의 상처 치유에 대한 상승 효과를 높이기 위하여 바람직하게 첨가될 수 있는 각종 생체 활성 인자를 양막에 처리하는 단계를 제공한다.
이러한 생체 활성 인자는 각각의 적당한 용매에 녹여 사용 가능하며, 각각의 사용 농도는 배양되는 세포의 종류, 치료를 목적으로 하는 경우는 적용 부위 및 상처 종류 등에 따라 적절하게 조절하는 것이 바람직하다.
이러한 각종 생체 활성인자로는 파이브로넥틴, 비트로넥틴, 각질세포 성장인자 (keratinocyte growth factor ; KGF), 표피세포 성장인자 (epidermal growth factor ; EGF), 혈소판유래 성장인자 (platelet-derived growth factor; PDGF), 혈관내피세포 성장인자 (vascular endothelial growth factor; VEGF), 산성 섬유아세포 성장인자 (acidic fibroblast growth factor; aFGF), 염기성 섬유아세포 성자인자 (basic fibroblast growth factor; bFGF), 형질전환 성장인자-α(transforming growth factor-α; TGF-α), 형질전환 성장인자-β(TGF-β), 신경세포 성장인자 (neuronal growth factor; NGF), 헤파린결합 EGF (heparin binding EGF), 인터페론 (interferons), 인슐린 유사 성장인자 (insulin-like growth factor; IGF), 조직활성화 펩티드 (tissue activating peptides), 인터루킨-1 (interlukin-1; IL-1), 인터루킨-2 (IL-2), 인터루킨-6 (IL-6), 인터루킨-8(IL-8), 적혈구 조혈인자 (erythropoietin)를 들 수 있으며, 이들을 단독 또는 조합된 형태로 사용할 수 있다.
이렇게 제조된 양막 구조물의 형태는 더블링 (double ring), 인서트 (insert) 또는 실리콘 링 (ring)을 이용한 막 (sheet) 형태 구조물 또는 망사 (mesh) 형태 구조물 또는 각막 치료를 위한 트레판과 같은 천공된 형태로 제조될 수 있으며, 이의 구조물 위에 세포를 배양할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법으로 얻어진 세포 기질로서의 양막에 인체각질형성세포, 연골세포, 골세포, 섬유모세포, 근육세포, 각막세포,각막간세포 또는 모발간세포(외측모근초 줄기세포)를 배양하는 (b)단계가 제공된다. 상기 배양할 수 있는 세포는 환자의 자가세포 또는 검증된 타인 또는 포유류의 세포를 사용할 수 있다.
예를 들어, 인체 각질 세포를 배양하는 방법은 상기에서 제조된 양막을 인서트나 링을 이용하여 각질세포를 0.1~50×105세포/cm2로 접종하며, EGF와 BPE가 첨가된 K-SFM 배지에서 1주간 침수 배양하며, 표피의 각질화를 위하여 1mM의 CaCl2를 첨가한 배지조건에서 기-액 계면 배양을 2주간 실시한다.
단, 응급사용이 요구되는 경우 7일 이내 배양한 표피조직을 이식할 수 있다.
또한 각막세포 배양의 경우 상기에서 제조된 양막을 인서트나 링을 이용하여 0.1~50×105세포/cm2로 접종하며, BPE(Bovine pituitary Extract), 소 인슐린 (Bovine insulin), 히드로코르티손(Hydrocortisone), 소 트랜스페린 (Bovine transferrin), 마우스 EGF (Mouse EGF)가 첨가된 에피라이프 (Epilife, Cascade Biologics사) 배지에서 5일간 침수 배양하며, 12일간 기-액 계면 배양을 실시한다.
또한 인체 모낭세포인 외측 모근초 줄기세포(outer root sheath stem cell)는 실제 피부조직의 상피세포와 연결이 되어 있으며, 상피세포의 근원이 되는 세포가 모낭에 분포되어 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 외측모근초 줄기세포를 이용하여 양막 위에서 배양표피를 구성하였으며, 배양방법은 상기에서 제조된 양막을 인서트나 링을 이용하여 0.1~50×105세포/cm2로 접종하며, 보충제(supplement)가 첨가된 무혈청배지(K-SFM)에서 2일간 침수 배양 후 칼슘농도를 단계적으로 증가시키면서 3일째부터 기-액 계면 배양을 실시함으로서 배양피부를 제조하였다.
이러한 적용범위의 일례로 본 발명의 양막 위에 환자의 자가 세포를 이식하거나 또는 인체에서 분리된 줄기 세포주(stem cell) 또는 성체 세포주(adult cell)을 배양하거나 불멸화 세포주를 배양하는 기질로 사용될 수 있다.
이러한 본 발명의 방법에 의하여 얻어지는 양막을 이용한 배양된 세포조직은 종래의 배양표피에 비해 세포 기질로서 양막을 사용함에 따라 보다 우수한 기계적 강도를 가지며, 또한 상처 적용시 생착율이 향상되며 수포가 형성되지 않는 장점을 가짐에 따라 상처 치유용 드레싱으로서 유용하게 사용할 수 있다.
본 발명은 상기의 제조방법에 의하여 제조된 생체적합성 양막에 세포가 배양된 것을 특징으로 하는 세포치료제를 제공한다.
상기 세포치료제는 세포 배양한 양막을 창상에 적용시 양막면이 창상에 적용되거나 또는 배양된 세포면이 창상면에 부착 또는 이식될 수 있다.
본 발명의 인공조직은 피부의 경우 심부 2도 이상의 화상, 각막의 경우 각막 이식을 필요로 하는 상처에 면역거부반응 없이 적용이 가능하다. 이러한 기술은 양막을 각종 상피성 세포 배양에 대한 기저막으로서 이용함에 따라 최종 세포배양 후 플레이트로부터 세포를 분리할 필요가 없으며, 따라서 기존 배양 방법에 사용되던 세포 분리를 위한 효소의 사용 필요성이 없으며, 이에 따른 세포 손상이 없는 잇점을 제공한다. 또한 세포 배양의 기질로서 양막을 이용함에 따라 기존 피부 화상치료 방법인 바세린 거즈에 고정하는 방법과 비교하여, 물리적인 강도가 우수함에 따라 상처부위 적용시 수포의 형성이 없는 적절한 시술이 용이하며, 아울러 양막을 이용함에 따라 보다 높은 생착율을 가지며, 양막 자체의 상처치유 촉진 효능을 갖는 잇점을 제공한다.
본 발명의 기저막 성분이 보존된 상태의 양막에 세포를 배양함으로써 인공피부, 인공각막, 인공연골, 인공근육, 인공모발조직 등의 다양한 조직공학을 이용한 인공장기 제조 및 세포 치료제 개발에 유용하게 이용될 수 있다.
이하, 본 발명은 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명되나, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 제한되지는 않는다.
<참조예 1> 양막의 제조
양막은 국내법상 감염성 폐기물로 분류되어 있으며, 이의 안전성 확보를 위하여 일반적으로 적용되는 조직은행 규정에 준하여 태반 모체에 대한 혈청학적 스크리닝을 한 후, 정상인 경우에 한해 양막을 태반으로부터 분리하였으며, 분리된 양막을 항균-항진균제 (antibiotic-antimycotic) 1%가 함유된 500㎖ PBS에 넣어 4℃의 상태를 유지하여 운반하였다. 운반된 양막을 트립틱 소이빈 카제인 다이제스트 배지 (Tryptic soybean casein digest medium, Difco사)로 미생물 배양을 하였다. 배양은 최소 7일간 37℃의 온도로 배양하였다. 배양 후 미생물이 나올 경우 폐기하였다. 미생물이 발견되지 않은 양막을 혈액과 혈흔을 씻어내기 위하여 멸균된 생리 식염수 500㎖이 함유된 병에서 진탕기 (shaker)를 이용하여 회당 10분 동안 세척하였다. 3회 세척 후에 얇은 양막 만을 얻기 위해 12시간 동안 침지시켰으며,침지 후 4회 세척을 하였다. 마지막 8회 세척시에 증류수로 세척을 하였다.
<실시예 1> 양막의 상피세포 제거
태반으로부터 양막을 적당한 크기(2cm ×2cm)로 자른 후 100mm 디쉬(dish)에 고르게 펴고 0.05% 트립신/EDTA(SIGMA사, USA)을 37℃에서 30분간 처리한 후 스크래퍼(scrapper)를 이용하여 양막 상피세포를 제거하였다. 상피세포가 제거된 양막을 그리드(grid) 위에 올려 놓은 후, 이를 세포배양용 링(ring)으로 고정함으로써 세포 배양을 위한 기질로 사용하였다.
도 1a는 양막의 상피세포를 제거하기 전의 주사식 전자현미경 사진이며, 도 1b는 상기의 처리과정을 통하여 양막의 상피세포가 제거된 것을 확인할 수 있었다. 또한 도 2a와 도 2b는 양막 단면에 대한 투과식 전자현미경 사진으로서, 상기의 처리 과정을 통하여 양막의 상피가 완전히 제거되었음을 확인하였다.
<실시예 2> 가교 처리된 양막 제조
인체 이식시 생분해되는 시간을 지연시키기 위하여, 참조예 1과 실시예 1에서 제조된 양막을 -196℃ 내지 0℃의 초저온 냉동고에서 동결시킨 다음, 다시 36시간 이상 동결 건조시켰다. 동결 건조된 양막을 종래의 가교 방법 기술인 40% 에탄올에 33mM 1,3-카보디이미드(carbodiimide)를 녹인 가교시약에 담궈 가교 시킨 후, 0.1M Na2HPO4(pH 9.1)로 2시간동안 세척한다. 그리고 이를 증류수로 충분히 세척한후 초저온 냉동고에서 동결 및 동결건조 처리하였다.
<실시예 3> 콜라겐 코팅된 양막 제조
콜라겐(Matrixen, 바이오랜드사)을 산 처리하여 얻은 텔로 콜라겐 또는 펩신 처리하여 텔로머 부분을 제거한 아텔로 콜라겐을 pH 3.0, 농도 0.3%(w/v)인 용액으로 제조한 뒤, 참조예 1과 실시예 1, 2에서 제조된 양막을 콜라겐 용액에 담구어 양막을 골고루 코팅이 되도록 하였다. 코팅이 된 양막을 클린벤치 (clean bench) 내에서 공기(air)를 통해 건조시켰으며, 방사선조사(감마 광선 조사, 5kGy, 광선원;Co60)방법으로 멸균 처리 하였다.
<실시예 4> 파이브로넥틴(fibronectin) 코팅된 양막 제조
참조예 1과 실시예 1에서 제조한 양막을 인산완충용액에 50ng/㎖ 농도로 희석한 파이브로넥틴(fibronectin) 용액에 담구어 코팅한 후, 이를 실시예 3에서와 동일한 과정으로 건조시켰다. 다만 멸균은 254nm의 UV를 24시간 동안 20cm의 거리를 두고 조사함으로써 살균 처리하였다.
<실시예 5> 양막을 이용한 배양피부 제조
상기 실시예 1, 2, 3, 4에서 제조된 양막 위에 인체각질세포를 배양하여 배양표피를 제조하였다.
먼저, 인체의 신생아 표피조직을 6㎖의 디스파제(1mg/㎖) 효소 용액에 담가4℃에서 13시간 처리하여 표피층과 진피층을 분리하였다. 표피층을 0.25% 트립신 3㎖에 넣고 37℃에서 20분간 처리한 후 DMEM 배지로 옮겨 충분한 파이펫팅 (pipetting)을 통해 각질세포를 분리하였다. 분리된 세포용액은 40×g에서 실온으로 10분 원심 분리 후 37℃, 5% CO2배양기에서 배양하였으며, 이때 사용한 배지는 각질세포용 무혈청 배지인 K-SFM(GIBCO사, EGF, BPE 첨가됨)을 사용하였다. 또한 세포배양을 위하여, 3㎛ 세공(pore)의 폴리카보네이트 막이 달린 배양플레이트 인서트(millicell, Millipore사)를 6-웰 플레이트에 넣은 후, 인서트 위에 상기 실시예 1에서 제조된 양막을 올려 놓은 다음, 상기에서 일차배양된 각질세포를 그 위에 접종하였다. 직경 30㎜의 인서트 1개당 5×105개의 각질세포를 양막 위에 접종하고, 인서트 안에는 각질세포용 무혈청 배지인 K-SFM(GIBCO사, EGF, BPE 첨가됨) 2㎖을, 밖에는 배지 3㎖로 채웠다. 이와 같이 만들어진 조직을 배지에 잠긴 상태로 1주일간 배양하면 각질세포가 자라서 표면을 가득 채우게 된다. 이 후 기-액 계면 배양시 EGF가 제외된 K-SFM(GIBCO사, supplemented with BPE, 1mM 칼슘)을 사용하였으며, 인서트 안의 배지를 제거하고 인서트 밖에만 배지를 채웠다. 이는 모든 영양성분 및 성장인자들은 인서트 아래쪽으로부터 양막을 통해 확산에 의해서 표피세포층에 전달되므로 생체표피와 유사한 환경이라고 볼 수 있으며, 이와 같이 대기상과 액체 배지의 경계면에서 2주일간 배양하여 각질세포를 다층으로 성장 및 분화시켰다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 양막을 이용한 배양표피에 대하여 세포의 부착형태와 분화된 형태를 확인하기 위하여 H&E 염색을 통한 관찰을 수행하였다.
도 3은 양막의 표피세포를 제거한 후에 피부각질세포(keratinocyte)를 배양한 것으로 실제 피부에서 관찰되는 것과 유사하게 잘 분화된 형태를 보이고 있다.
<실시예 6> 양막을 이용한 배양각막 제조
상기 실시예 1, 2, 3, 4에서 제조된 양막 위에 각막세포를 배양하여 배양된 인공 각막 조직을 제조하였다.
먼저, 토끼를 안락사시킨 후 안구를 분리, 세척한 후 각막에서 스트로마 (stroma)를 기준으로 표피와 내피층을 분리하며, 외식방법(explantation method)를 이용하여 표피세포를 분리하였다. 도 4a는 토끼의 각막 윤부(limbal)로부터 자라나오는 각막표피세포를 보여준다. 분리된 각막 표피 세포를 앞의 실시 예 1,2,3,4에서 제조한 직경 10mm의 양막 위에 5×105개의 세포로 접종하였으며, 소 뇌하수체 추출액, 소 인슐린, 히드로코르티손, 소 트랜스페린, 마우스 EGF가 첨가된 상피세포 배양용 무혈청 배지(Epilife, Cascade Biologics사)를 사용하였으며, 2일간 침수 배양 후 3일째부터 1mM 칼슘 첨가 후 7일간 기-액 배양을 실시하였다. 도 4b는 본 발명의 양막 위에 각막 윤부로부터 분리되어 배양된 각막표피세포의 침수 배양 1일째의 전자현미경 사진이며, 도 4c는 상기와 같이 기-액 배양 실시 후 조직검사(H&E)를 통하여 세포의 분화 형태를 관찰한 것으로서, 본 발명의 양막 위에 세포를 배양한 경우 세포층의 제일 아래쪽의 기저층(basal layer)은 생체 내(invivo)에서 관찰되는 형태와 거의 유사한 입방형의 세포 형태를 나타냄을 확인할 수 있었다.
<실시예 7> 양막을 이용한 외측 모근초(Outer root sheath) 줄기 세포 배양
외측 모근초 줄기세포(ORSC)는 표피 또는 모낭으로 분화될 수 있는 두 가지 능력을 가진 것으로 피부조직에서 모낭을 손상되지 않은 채로 분리하여 외식 배양 (explant culture, out growth) 방법을 이용하여 일차 배양하였다.
즉, 항생제에 담겨 있는 모낭을 디스파제(2㎎/㎖, 1.4U/㎖, Sigma사)와 콜라게나아제(collagenase, 3mg/㎖, 5000U/㎖, Sigma사)를 1:1로 혼합한 용액으로 옮긴 뒤 37℃에 30분간 배양시킨다. 그리고 35mm 디쉬 바닥에 FBS 100㎕를 바른 후 모낭을 옮겨 바닥에 붙힌 후 약 6-10시간 동안 배양시킨 후 꺼내어 각 모낭에 배지를 200㎕씩 넣고 하루동안 배양시킨 뒤 K-SFM 배지를 2㎖씩 첨가하였다.
상기의 일차 배양된 외측 모근초 줄기세포(ORSC)를 앞의 실시예 1,2,3,4에서 제조한 직경 10mm의 양막 위에 5×105개의 세포로 접종하였으며, 배지는 무혈청 배지(K-SFM)를 사용하였다. 또한 대조군으로 실시예 5의 포피에서 일차배양한 피부 각질세포를 같은 농도로 양막 위에 접종하였으며, 침수배양에는 보충제 (supplement)가 첨가된 무혈청배지를 이용하였으며, 2일간 80mm 디쉬에 17㎖의 배지를 넣었다. 그리고 3일째 기-액 배양을 실시하는데, 인서트 (insert)를 그리드 (grid) 위에 올려놓고 배지는 동일하게 17㎖을 첨가하여 주며 이 때부터 EGF를 제거하며 칼슘의 농도를 0.1mM부터 1.3mM까지 단계적으로 증가시켜 분화를 유도하였다. 도 5는 7일간 배양한 후 조직검사(H&E)를 통하여 비교한 결과로서, 본 실시예의 ORSC를 이용하여 시험관내 시험 (in vitro)에서 표피로 분화를 유도하였으며, 그 결과 실제 피부에서 관찰되는 것과 유사한 중층화와 분화가 확인되었으며, ORSC를 이용한 배양표피를 제조할 수 있었다.
본 발명에 의하면, 환자 자신의 각종 세포를 분리하여 이를 태반으로 분리된 양막 위에 배양한 형태의 생인공조직을 제공한다. 따라서 기존 화상 치료 방법인 바세린 거즈에 물리적으로 고정하는 방법과 비교하여, 본 발명은 양막을 피부의 기저막으로 이용하여 양막 위에 세포를 직접 배양한 후 양막과 함께 상처에 적용함으로써, 최종 세포 배양 후 플레이트(plate)로 부터 세포를 분리할 필요가 없으며, 따라서 기존 배양 방법에 사용되던 세포 분리를 위한 효소의 사용 필요성이 없으며, 이에 따른 세포 손상이 없는 잇점을 제공한다. 또한 물리적 강도가 우수함에 따라 상처에 대한 적절한 시술이 용이하며, 아울러 양막 자체의 상처 치유 촉진 효능을 갖는 잇점을 제공한다. 그리고 본 발명의 기저막 성분이 보존된 상태의 양막에 세포를 배양함으로써 인공피부, 인공각막, 인공연골, 인공근육, 인공모발조직 등의 다양한 조직공학을 이용한 인공장기 제조 및 세포 치료제개발에 유용하게 이용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 기저막이 보존된 상태로 양막을 처리한 후, 상기 처리된 양막에 세포를 배양하는 단계를 필수적으로 포함하는, 태반으로부터 분리된 생체적합성 양막을 세포배양기질로서 이용하여 각종 세포를 배양하는 것을 특징으로 하는 세포치료제의 제조방법.
  2. 기저막이 보존된 상태로 양막을 처리한 후, 상기 양막 자체의 표피세포를 제거하는 단계, 상기 양막에 가교 처리하는 단계 또는 콜라겐 또는 생체활성인자 코팅처리하는 단계로부터 선택된 하나 이상의 단계를 연속적으로 수행하고, 상기 처리된 양막에 세포를 배양하는 단계를 필수적으로 포함하는, 태반으로부터 분리된 생체적합성 양막을 세포배양기질로서 이용하여 각종 세포를 배양하는 것을 특징으로 하는 세포치료제의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 양막은 사람, 소, 돼지, 말, 양, 개, 토끼 또는 쥐로부터 유래된 것인 제조방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 양막은 더블링(doubling), 인서트 또는 막(sheet)형태 구조물 또는 망사(mesh) 형태 구조물, 또는 트레판과 같은 천공된 형태의 구조물인 제조방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 양막에 배양되는 세포는 환자자가세포, 섬유모세포, 각질형성세포, 연골세포, 골세포, 근육세포, 각막간세포 및 모낭세포(외측모근초 줄기세포)로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상의 세포인 것인 제조방법.
  6. 제 2항에 있어서, 가교 처리시 카보디이미드, 헥사메틸렌디이소시아네이트, 글루타르알데하이드, 글루코스, 리보오스, 디오스, 트리오스, 테트로스, 펜토스, 헥소스, 셉토스, 옥토스, 나노스, 데코스, 글리세로스, 트레오스, 에리트로스, 리소스, 자일로스, 아라비노스, 알로오스, 알트로스, 만노스, 이도스, 굴로스, 갈락토스, 탈로스로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상의 성분을 가교 시약으로 사용하는 것인 제조방법.
  7. 제 2항에 있어서, 생체활성인자는 파이브로넥틴, 비트로넥틴, 각질세포 성장인자, 표피세포 성장인자, 혈소판 유래성장인자, 혈관내피 성장인자, 산성 섬유아세포 성장인자, 염기성 섬유아세포 성장인자, 형질전환 성장인자-α, 형질전환 성장인자-β, 신경세포 성장인자, 헤파린결합 EGF, 인터페론, 인슐린 유사 성장인자, 조직활성화 펩티드, 인터루킨-1, 2, 6, 8 및 적혈구 조혈인자로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상의 성분을 포함하는 것인 제조방법.
  8. 제 1항 또는 제 2항의 제조방법에 의하여 제조된, 생체적합성 양막에 세포가 배양된 것을 특징으로 하는 세포치료제.
  9. 제 8항에 있어서, 세포 배양한 양막을 창상에 적용시 양막면이 창상에 적용되거나 또는 배양된 세포면이 창상면에 부착 또는 이식되는 세포치료제.
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