KR20070070445A - Method of preparing cell for heart tissue regeneration - Google Patents

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Abstract

A method for preparing a cell for heart tissue regeneration is provided to optimize engraftment and survival rate of the cell in the heart muscle, and differentiate the cell into the heart muscle, so that myocardial infarction is prevented and treated. The method for preparing the cells for heart tissue regeneration comprises the steps of: (a) supplying immortalization-inhibited bone marrow stem cells; (b) subculturing the bone marrow stem cells while the cells maintain characteristics of the bone marrow stem cell; (c) culturing the bone marrow stem cells in a cardiac specific medium which induces commitment of the bone marrow stem cell into a cardiomyocyte while the cell maintains characteristics of bone marrow mesenchymal stem cell until 80-90% of the bone marrow stem cells are induced into the cardiomyocytes; and (d) collecting the cells of step(c) when the cultured cells show a marker specific to the bone marrow mesenchymal stem cell.

Description

심근 조직 재생을 위한 세포의 생산 방법{METHOD OF PREPARING CELL FOR HEART TISSUE REGENERATION}Cell production method for myocardial tissue regeneration {METHOD OF PREPARING CELL FOR HEART TISSUE REGENERATION}

도 1은 Passage 0의 골수 줄기세포 표면 단백질 분석 사진,1 is a bone marrow stem cell surface protein analysis of Passage 0,

도 2는 Passage 2의 언커미티드 골수 줄기세포 표면 단백질 분석 사진,Figure 2 is an uncommitted bone marrow stem cell surface protein analysis of Passage 2,

도 3은 Passage 2의 골수 줄기세포에 성장인자를 6∼7 일간 처리한 커미티드 골수 줄기세포 표면 단백질 분석 사진,Figure 3 is a picture of the analysis of committed bone marrow stem cell surface protein treated with growth factors in the bone marrow stem cells of Passage 2 6-7 days,

도 4는 언커미티드 골수 줄기세포(A∼D)와 커미티드 골수 줄기세포(E∼H)를 심근 아세포와 2 일간 혼합 배양하여 심근세포 특이 마커인 Connexin-43(녹색)과 cardiac Troponin I(적색)을 염색하여 골수 줄기세포의 분화를 측정한 형광 현미경 사진(400 배),Figure 4 is a mixed culture of uncommitted bone marrow stem cells (A-D) and committed bone marrow stem cells (E-H) with myocardial blast cells for 2 days, the cardiomyocyte specific markers Connexin-43 (green) and cardiac Troponin I ( Fluorescence micrograph (400x), which measured differentiation of bone marrow stem cells by staining red),

도 5는 심근 아세포와 혼합 배양에서 발현된 Connexin-43에 의하여 형성된 갭정션의 기능을 분석한 레이저 형광 현미경 사진(400 배)으로, (A)∼(C)는 언커미티드 골수 줄기세포와 혼합 배양한 사진, (D)∼(E)는 커미티드 골수 줄기세포와 혼합 배양한 사진, (G)∼(H)는 각각의 그룹에 헵탄올을 처리하여 Connexin-43에 의한 갭정션을 저해한 후 Calcein AM 염색액의 이동을 관찰한 사진이다.5 is a laser fluorescence micrograph (400 times) of the analysis of the function of the gap junction formed by Connexin-43 expressed in the mixed culture with myocardial blast cells, (A) ~ (C) is mixed with uncommitted bone marrow stem cells Cultured photographs, (D) to (E) are mixed cultured with committed bone marrow stem cells, (G) to (H) is treated with heptanol in each group to inhibit the gap junction by Connexin-43 It is a photograph observing the movement of Calcein AM stain.

도 6은 언커미티드 골수 줄기세포와 커미티드 골수 줄기세포를 웨스턴 블럿 실험을 통하여 심근세포 특이 마커인 Nkx2.5, GATA-4, 그리고 MEF2 단백질의 발현 을 나타낸 사진으로, 다섯 번째 줄은 래트의 심장에서 추출한 단백질로서 양성 대조군으로 사용한 것이다.Figure 6 is a photograph showing the expression of the cardiomyocyte specific markers Nkx2.5, GATA-4, and MEF2 protein through Western blot experiment for uncommitted bone marrow stem cells and committed bone marrow stem cells, the fifth line of the rat Protein extracted from the heart and used as a positive control.

도 7은 심근경색 래트의 심장에 커미티드 골수 줄기세포를 주입하여 8주 후에 면역 염색 방법을 통하여 심근 아세포로 분화를 본 사진으로, 적색을 나타내는 것은 DiI 염색액으로 염색하여 주입한 커미티드 골수 줄기세포이고, 녹색은 심근 아세포 특이 마커인 Connexin-43(A, B; 200배), cardiac Troponin I(C∼D; 200배), 그리고 MF-20(E; 400배)를 나타내는 것이며, F는 각각의 마커 단백질을 발현하는 랫트의 빈도를 나타내는 그래프로 회색은 언커미티드, 흑색은 커미티드 골수 줄기세포의 경우이다.7 is a picture showing the differentiation into myocardial blast cells through the immunostaining method after 8 weeks after injection of committed bone marrow stem cells into the heart of myocardial infarction rat, the red one shows the committed bone marrow stem injected by staining with DiI stain solution. Cells, green indicates cardiomyocyte specific markers Connexin-43 (A, B; 200-fold), cardiac Troponin I (C-D; 200-fold), and MF-20 (E; 400-fold); Graphs showing the frequency of rats expressing each marker protein are gray for uncommitted and black for committed bone marrow stem cells.

도 8은 심근경색 래트의 심장에 언커미티드 골수 줄기세포(A)와 커미티드 골수 줄기세포(B)를 이식하고 8 주 후의 심장 초음파 사진으로, 래트의 확장기말과 수축기말 내축 거리를 나타낸 것이고, (C)는 좌심실 박출 계수(LVEF), 그리고 (D)는 좌심실 분획적 단축(LVFS)을 비교한 그래프이다.8 is an 8-week echocardiogram of uncommitted bone marrow stem cells (A) and committed bone marrow stem cells (B) implanted in the heart of myocardial infarction rats, showing the end- and end-stem axial distances of the rats. , (C) is a left ventricular ejection fraction (LVEF), and (D) is a graph comparing left ventricular fractional shortening (LVFS).

도 9는 골수 줄기세포를 주입한 래트에 부정맥 유발 물질을 주입하여 부정맥 유발 정도를 측정한 결과로, (A)는 심실성 빈맥의 발생 빈도, (B)는 심실 조기수축을 보여준다.9 is a result of measuring the degree of arrhythmia induced by injecting an arrhythmia-inducing substance in the rat injected with bone marrow stem cells, (A) shows the incidence of ventricular tachycardia, (B) shows early ventricular contraction.

본 발명은 포유류 심근 조직으로 이식하기 위한 세포의 생산 방법에 관한 것 으로, 보다 구체적으로는, 인간을 포함하는 포유류의 골수 줄기세포에 생물학적 성장인자를 처리하여 직접 심장 계통(cardiac lineage)으로 커미트먼트시키되 줄기세포의 성질을 그대로 유지시켜 손상된 심근에서 가장 좋은 생착과 생존율을 나타내도록 하기 위해, 특정 기간 동안 in vitro에서 처리하고, 그리고 유도된 골수 줄기세포를 심근경색이 있는 포유류의 심장에 이식하여 이식된 심장조직에서 주변조직과 상호 신호전달이 가능한 심근세포로의 분화 및 심기능 개선을 평가하는 방법에 관련된다.The present invention relates to a method for producing a cell for transplantation into mammalian myocardial tissue, and more specifically, to a biological bone marrow stem cells of mammals, including humans, by treatment of biological growth factors directly committed to the cardiac lineage (cardiac lineage) In order to maintain the properties of the stem cells to ensure the best engraftment and survival rate in the damaged myocardium, the cells were treated in vitro for a certain period of time, and the induced bone marrow stem cells were transplanted into the heart of a mammal with myocardial infarction. The present invention relates to a method for evaluating differentiation and improvement of cardiac function from cardiac tissue to cardiomyocytes which can communicate with peripheral tissues.

성체의 골수에서 얻어진 중간엽 줄기세포는 지방 세포, 뼈 세포, 연골 세포, 간 세포, 그리고 심근세포 등을 포함하여 여러 가지 세포로 분화할 수 있는 전분화 능력을 갖는다. 이와 같은 다양한 분화 능력 때문에 골수 줄기세포는 세포 이식 치료법에 사용하기 좋은 후보 물질이 될 수 있다.Mesenchymal stem cells obtained from adult bone marrow have the ability to differentiate into various cells, including adipocytes, bone cells, chondrocytes, liver cells, and cardiomyocytes. These differentiation abilities can make bone marrow stem cells a good candidate for use in cell transplantation therapies.

한편, 심근경색은 전 세계적으로 사망을 일으키는 중요한 원인 중 하나로 알려져 있다. 성인 심장에서는 심근 아세포가 증식할 수 없기 때문에 심근경색으로 인한 심근세포의 죽음은 건강한 세포가 있던 자리에 상처를 남기게 된다.Myocardial infarction, meanwhile, is known as one of the leading causes of death worldwide. Because myocardial blasts cannot proliferate in the adult heart, cardiomyocyte death due to myocardial infarction leaves a scar in the place of healthy cells.

따라서, 저하된 심장기능을 치료하기 위한 근본적인 치료법은 죽은 심장조직을 건강한 심근세포로 대체해 주는 것이다. Thus, the fundamental treatment for treating degraded heart function is to replace dead heart tissue with healthy cardiomyocytes.

최근 연구 결과에 의하면 배아 줄기세포 또는 성체 줄기세포와 같은 줄기세포(stem cell)는 심장에 이식된 후 놀라운 유연성을 갖는 것으로 나타났다. 줄기세포가 심근에 이식되면 심근 아세포로 교차분화(transdifferentiation)되는 능력이 있으며, 이러한 능력이 줄기세포를 심근 재생 치료에 사용할 수 있도록 만든다. 그 러나, 이같은 결과가 가능성이 있다고는 하지만, 경색 후 유의성 있는 기능 개선을 보일 만큼 줄기세포가 심근 아세포로 전환되지는 않는다. 뿐만 아니라 배아 줄기세포와 같은 전분화세포(progenitor cell)를 이식할 경우 기형종(teratoma)으로 변환된다는 보고들이 있다. 이에 따라, 골수 줄기세포와 같은 성체 줄기세포를 심근세포로 분화시킨 후 이식에 이용하고자 하는 연구가 진행되고 있다.Recent studies have shown that stem cells such as embryonic stem cells or adult stem cells have incredible flexibility after transplantation into the heart. When stem cells are transplanted into the myocardium, they have the ability to be transdifferentiated into myoblasts, making them available for the treatment of myocardial regeneration. However, although this is a possibility, stem cells do not turn into myocardial blasts to show significant improvement in function after infarction. In addition, there are reports of transplantation of progenitor cells, such as embryonic stem cells, into teratoma. Accordingly, studies have been conducted to differentiate adult stem cells such as bone marrow stem cells into cardiomyocytes and use them for transplantation.

골수 줄기세포에 디메틸화 시약(demethylating agent)인 5-아자사이티딘(5-azacytidine), TGF-beta1, 인슐린, 간세포성장인자(Hepatocyte Growth Factor) 등을 처리하는 것에 의해 골수 줄기세포를 심근세포로 분화시킬 수 있음이 보고되었다. 그러나, 5-아자사이티딘은 게놈 염기서열을 무작위로 디메틸화시켜 정상의 사일런트 유전자(silent genes)가 발현되게 하는 것으로, 5-아자사이티딘을 처리할 경우 심근세포 뿐만 아니라 많은 종류의 다른 세포(예를 들어, 근육 세포(MyoD 양성), 뼈 세포(osteocalcin 양성), 지방 세포(PPAR- 양성), 그리고 심근 아세포(cardiac troponin I 양성))가 유도되므로, 한 가지 세포형인 심근 아세포로의 유의성 있는 분화를 재현성 있게 보이지는 못한다. 또한, 5-아자사이티딘과 같은 화학 약품인 디메틸화 시약은 인체 사용시 안전성이 입증되어 있지 않다.Bone marrow stem cells are treated with cardiomyocytes by treating 5-azacytidine, TGF-beta1, insulin, and Hepatocyte Growth Factor, which are dimethylating agents. It has been reported that it can differentiate. However, 5-azacytidine randomizes genomic sequences to allow normal silent genes to be expressed. When 5-azacytidine is treated, cardiomyocytes as well as many other types of cells ( For example, muscle cells (MyoD-positive), bone cells (osteocalcin-positive), adipocytes (PPAR-positive), and myocardial blasts (cardiac troponin I positive) are induced, thus making them meaningful to one cell type, myocardial blast cells. Differentiation does not seem reproducible. In addition, dimethylation reagents, chemicals such as 5-azacytidine, have not been proven safe for human use.

다른 한편으로는, 근육 아세포(skeletal myoblast) 또는 근육세포(skeletal myocyte)를 이용하여 죽은 심장조직을 대체하고자 하는 연구들이 진행 중에 있다. 이는 환자의 근육조직을 일부 채취하여 근육 아세포를 분리하고 증식시켜 심장에 이식하는 것인데, 이들 세포는 세포간 갭정션(intercellular gap junction)을 형성하지 못하므로 부정맥을 유발할 위험을 갖는다. 즉, 심장이 박동하기 위해서는 심 근세포간 상호 전기적 신호전달이 필요하며, 세포간 형성되어 있는 갭정션을 통해 물질이 이동하여 일정한 방향으로 신호전달이 이루어지는데, 근육 아세포가 이식될 경우 주변조직과의 전기적 신호전달이 일어나지 않게 되어 부정맥 유발의 원인이 될 수 있는 것이다.On the other hand, studies are underway to replace dead heart tissue using skeletal myoblasts or skeletal myocytes. This is to extract a part of the muscle tissue of the patient to isolate and multiply the myoblasts to transplant into the heart, these cells do not form an intercellular gap junction (risk of arrhythmias), there is a risk of causing arrhythmias. That is, in order for the heart to beat, cardiac myocardial cells are required to communicate with each other, and the material is moved through a gap junction formed between cells, so that the signal is transmitted in a constant direction. Electrical signaling does not occur and may cause arrhythmia.

세포 이식에 성공하기 위해서는 이식 후 세포의 생착율을 극대화하는 것이 중요하며, 이미 분화가 완료된 세포보다는 최종 분화까지 진행되지 않아 분열능력을 갖고 있는 세포가 이식 후 생착력, 적응력이 좋다고 알려져 있다. 또한, 심근세포의 경우 주변 조직과의 전기적 신호전달을 통해 일관성 있게 움직이는 특징을 갖고 있어, 심근에 세포를 이식하고 심기능 개선을 유도하기 위해서는 이식된 세포가 기존의 조직과 잘 융합하여 동일한 신호전달 체계로 움직이는 것이 중요하다.In order to succeed in cell transplantation, it is important to maximize the engraftment rate of the cells after transplantation, and since the cells do not progress to the final differentiation than the cells that have already been differentiated, cells with division capacity are known to have good engraftment ability and adaptability after transplantation. In addition, the cardiomyocytes have a characteristic of moving consistently through the electrical signal with the surrounding tissues, in order to transplant the cells in the myocardium and to improve the cardiac function, the transplanted cells are well fused with the existing tissues and the same signaling system It is important to move to.

이상과 같은 문제점을 고려하여, 본 발명에서는 발생학적으로 커미티드된 상태이지만 완전히 분화되지 않아 분열하는 줄기세포의 특징을 유지하고 있어 이식부위에서 잘 생착하고 주변조직과의 신호전달을 통해 심근세포로 최종 분화될 수 있는 한 가지 세포형(예를 들어, 심근 아세포)으로 유도하는 적절한 생물학적 성장인자와 조건을 모색하고자 하였다. 그 결과, 골수 줄기세포에 생물학적 성장인자를 처리하여 줄기세포의 특징을 유지하면서 심장 계통(cardiac lineage)으로 커미트먼트시키는 방법과, 더 나아가 손상된 심근에 이식했을 때 가장 좋은 생착과 생존율을 나타내는 단계의 세포를 수집하는 방법을 개발하였으며, 이러한 방법을 통하여 유도된 골수 줄기세포를 심근경색 쥐의 심근에 이식하여 이식한 세포가 심근세포로 완전히 분화되고 그 결과 심기능이 개선되는 것을 확인함으로써 본 발명에 이르게 되었다.In view of the above problems, the present invention maintains the characteristics of stem cells which are developmentally committed but not fully differentiated and thus divide, so that they are engrafted at the transplantation site and transferred to cardiomyocytes through signal transmission with surrounding tissues. The aim was to find appropriate biological growth factors and conditions that lead to one cell type (eg myocardial blast) that can be finally differentiated. As a result, bone marrow stem cells are treated with biological growth factors and committed to cardiac lineage while maintaining the characteristics of the stem cells, and furthermore, the cells at the stage showing the best engraftment and survival rate when transplanted into the damaged myocardium. Was developed, and the bone marrow stem cells induced through these methods were transplanted into the myocardium of myocardial infarction rats, thereby confirming that the transplanted cells were completely differentiated into cardiomyocytes, thereby improving cardiac function. .

본 출원인에 의한 선출원인 국내특허공개 제10-2005-0055823호(2005년 6월 14일 공개)에서는 골수 줄기세포로부터 유도된 세포가 손상된 심근에서 좋은 생착과 생존율을 나타내도록, 이식하기 전 심장 특이적 배지에서 일정 기간 동안 배양하는 방법에 대하여 기술하고 있는데, 본 발명에서는 이 방법에 의해 유도되는 세포의 특징을 보다 구체적으로 제시함으로써 세포 이식 후 치료효과를 극대화하고자 한다.Korean Patent Publication No. 10-2005-0055823 (published June 14, 2005) by the present applicant discloses cardiac specificity before transplantation so that cells derived from bone marrow stem cells exhibit good engraftment and survival rate in the damaged myocardium. It describes a method of culturing in a suitable medium for a certain period of time, the present invention is intended to maximize the therapeutic effect after cell transplantation by presenting in more detail the characteristics of the cells induced by this method.

본 발명의 목적은, 인간을 포함하는 포유류의 골수 줄기세포를 생물학적 성장인자를 이용하여 심근세포로 유도하되, 줄기세포의 특징을 그대로 유지하도록 하여, 유도된 골수 줄기세포가 손상된 심근에서 가장 좋은 생착과 생존율을 나타내고 최종적으로 심근세포로 분화되어 심기능을 개선의 목적을 달성할 수 있는 세포를 얻는 방법을 개발함으로써, 심근경색과 같은 불충분한 심근 기능으로 인한 이상증으로 진단된 포유류(예를 들어, 인간)에게 임상적으로 적절하게 유도된 골수 줄기세포를 제공하고자 하는 것이다.An object of the present invention is to induce the bone marrow stem cells of mammals, including humans to cardiomyocytes using biological growth factors, to maintain the characteristics of the stem cells intact, the best engraftment in the myocardium damaged myocardial stem cells Mammals diagnosed with abnormalities due to inadequate myocardial function, such as myocardial infarction, by developing a method to obtain cells that exhibit survival rates and eventually differentiate into cardiomyocytes and achieve cardiac function. To provide clinically appropriately derived bone marrow stem cells.

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 포유류 심근 조직으로 이식하기 위한 세포의 생산 방법은 다음 단계를 포함한다:To achieve the above object, a method for producing a cell for transplantation into mammalian myocardial tissue of the present invention comprises the following steps:

(a) 불멸화(immortalized)되지 않는 골수 줄기세포를 공급하는 단계;(a) supplying bone marrow stem cells that are not immortalized;

(b) 상기 골수 줄기세포를 골수 줄기세포의 성격을 유지하는 상태에서 계대 배양하는 단계;(b) subcultured with the bone marrow stem cells while maintaining the characteristics of the bone marrow stem cells;

(c) 상기 골수 줄기세포를, 골수 중간엽 줄기세포의 성격을 유지하면서 심근 아세포로 커미트먼트시키도록 유도하는 심장 특이적 배지(cardiac specific media)에서, 상기 세포의 80 내지 90 %가 심근 아세포로 유도될 때까지 배양하는 단계; 및(c) in cardiac specific media that induces bone marrow stem cells to be committed to myocardial blast cells while maintaining the characteristics of the bone marrow mesenchymal stem cells, 80-90% of the cells are induced to cardiomyocytes Culturing until done; And

(d) 상기 배양된 세포가 골수 중간엽 줄기세포의 특징적 마커를 발현할 때 단계 (c)의 세포를 수집하는 단계.(d) collecting the cells of step (c) when said cultured cells express characteristic markers of bone marrow mesenchymal stem cells.

여기에서, 상기 골수 줄기세포는 이식 대상 포유류로부터 유래될 수 있으며, 상기 단계 (c)에서 배양은 1 시간 내지 21 일 동안이 바람직하고, 6∼7 일 동안 배양하는 것이 더욱 바람직하다.Here, the bone marrow stem cells may be derived from the mammal to be transplanted, and in the step (c), the culture is preferably performed for 1 hour to 21 days, and more preferably for 6 to 7 days.

또한, 상기 심장 특이적 배지는 생물학적 성장인자인 bFGF(basic Fibroblast Growth Factor), BMP-2(Bone Morphogenic Protein-2) 및 IGF-I(Insulin-like Growth Factor-1)를 포함하는 배지로서, bFGF, BMP-2 및 IGF-1의 농도는 각각 1 내지 200 ng/㎖이고, 여기에 우혈청 2 내지 20 %, L-아스코르브산-2-PO4 1 내지 1000 μM, LIF 5 내지 15 ng/㎖, 및 덱사메타손 1 내지 200 nM를 더욱 포함하는 배지인 것이 바람직하다.In addition, the cardiac specific medium is a medium containing a biological growth factor bFGF (basic Fibroblast Growth Factor), BMP-2 (Bone Morphogenic Protein-2) and IGF-I (Insulin-like Growth Factor-1), bFGF , Concentrations of BMP-2 and IGF-1 are 1 to 200 ng / ml, respectively, where 2 ~ 20% of bovine serum, 1 to 1000 μM of L-ascorbic acid-2-PO 4 , and 5 to 15 ng / ml of LIF. , And dexamethasone 1 to 200 nM.

여기에서, 배양된 골수 줄기세포는 심근 아세포로 커미트먼트(commitment)된 것으로, 특히 MEF2 단백질을 발현하고, MF-20는 발현하지 않으며, 골수 중간엽 줄기세포의 특징적 마커인 CD29+, CD90+, CD44+, CD34-, CD45-를 표현하는 세포를 수 집하는 것이 바람직하다.Here, the cultured bone marrow stem cells are committed to myocardial blast cells, specifically expressing MEF2 protein, not MF-20, CD29 +, CD90 +, CD44 +, CD34, which are characteristic markers of bone marrow mesenchymal stem cells It is desirable to collect cells expressing CD45-.

본 발명에 따른 포유류 심근 조직으로 이식하기 위한 세포의 생산 방법은, 유도된 골수 줄기세포를 손상된 심근에서 최적의 생착과 생존율을 나타내며 심근세포로 최종 분화할 수 있도록 특정 기간 동안 유도하는 방법; 그리고, 이와 같이 유도된 세포를 포유류의 심근경색 모델에 이식하여 평가하는 방법으로 실시된다.Cell production method for transplantation into mammalian myocardial tissue according to the present invention, a method for inducing induced bone marrow stem cells in the damaged myocardium for a specific period of time to show the optimal engraftment and survival rate and finally differentiate into cardiomyocytes; In addition, the cells thus induced are transplanted into a mammalian myocardial infarction model and evaluated.

먼저, 유도된 골수 줄기세포가 손상된 심근에서 최적의 생착과 생존율을 나타내며 심근세포로 최종분화할 수 있도록 특정 기간 동안 유도하는 방법은 다음 단계를 포함한다:First, a method of inducing induced bone marrow stem cells for a specific period of time to achieve optimal engraftment and survival in the damaged myocardium and finally to differentiate into cardiomyocytes comprises the following steps:

(1) 불멸화(immortalized)되지 않는 골수 줄기세포를 공급하는 단계;(1) supplying bone marrow stem cells that are not immortalized;

(2) 충분한 수의 세포를 얻기 위하여 상기 골수 줄기세포를 계대 배양하는 단계;(2) passaging the bone marrow stem cells to obtain a sufficient number of cells;

(3) 배양된 상기 골수 줄기세포를 생물학적 성장인자가 포함된 심장 특이적 배지(cardiac specific media)에서 1 시간 내지 21 일 동안 배양하여 심근 아세포로 유도하는 단계;(3) culturing the cultured bone marrow stem cells in cardiac specific media containing biological growth factors for 1 hour to 21 days to induce cardiomyocytes;

(4) 단계 (3)의 세포의 유도 상태를 특정 기간 단위로 수집하여 모니터링하는 단계; 및(4) collecting and monitoring the state of induction of the cells of step (3) at specific time intervals; And

(5) 상기 세포의 80∼90 %가 심근 아세포로 커미트먼트되고, 골수 중간엽 줄기세포의 특징을 유지할 때 단계 (3)의 세포를 수집하는 단계.(5) collecting the cells of step (3) when 80-90% of the cells are committed to myocardial blast cells and retain the characteristics of myeloid mesenchymal stem cells.

이와 같이 유도된 세포를 포유류의 심근경색 모델에 이식하여 평가하는 방법은 다음 단계를 포함한다:Methods for evaluating such induced cells by implanting them into a mammalian myocardial infarction model include the following steps:

(1) 심근경색 포유류 모델을 만드는 단계;(1) creating a myocardial infarction mammalian model;

(2) 상기 포유류로부터 골수 줄기세포를 분리하는 단계;(2) isolating bone marrow stem cells from the mammal;

(3) 충분한 수의 세포를 얻기 위하여 상기 골수 줄기세포를 계대 배양하는 단계;(3) passaging the bone marrow stem cells to obtain a sufficient number of cells;

(4) 배양된 상기 골수 줄기세포를 생물학적 성장인자가 포함된 심장 특이적 배지(cardiac specific media)에서 6∼7 일 동안 배양하는 단계;(4) culturing the cultured bone marrow stem cells in cardiac specific media containing biological growth factors for 6-7 days;

(5) 상기 세포의 80∼90 %가 심근 아세포로 커미트먼트되고, 골수 중간엽 줄기세포의 특징을 유지할 때 단계 (4)의 세포를 표지하여 수집하는 단계;(5) labeling and collecting the cells of step (4) when 80-90% of the cells are committed to myocardial blast cells and retain the characteristics of bone marrow mesenchymal stem cells;

(6) 상기 심근 아세포를 상기 포유류로 이식하는 단계; 및(6) transplanting the myocardial blast cells into the mammal; And

(7) 이식세포가 상기 포유류의 심장에서 심근세포로 최종 분화되고 심기능이 개선됨을 확인하는 단계.(7) confirming that the transplanted cells are finally differentiated from the heart of the mammal into cardiomyocytes and the cardiac function is improved.

본 발명에서는 인간을 포함하는 포유류의 골수 줄기세포에 생물학적 성장인자를 처리하여 직접 심장 계통(cardiac lineage)으로 커미트먼트시키고, 유도된 골수 줄기세포가 손상된 심근에서 가장 좋은 생착과 생존률을 나타내며 최종 심근세포로 분화되도록 하기 위해 주사하기 전 특정 기간 동안 in vitro에서 처리하고, 그리고 유도된 골수 줄기세포를 심근경색이 있는 포유류의 심장에 이식하여 상태의 변화를 평가하였다. 이와 같은 방법을 통하여 유도된 심근 아세포는, 5-아자사이티딘과 같은 화학적 디메틸화 시약(demethylating agent)을 사용한 것보다 훨씬 임상적으로 적절하고, 이식후 심장조직에 잘 생착하여 주변조직과 융화하면서 심근세포로 분화하였으며, 그 결과 심기능이 획기적으로 개선되었음을 확인할 수 있었다.In the present invention, the bone marrow stem cells of mammals, including humans, are treated with biological growth factors and directly committed to cardiac lineage, and the induced bone marrow stem cells exhibit the best engraftment and survival rate in the damaged myocardium. To induce differentiation, the cells were treated in vitro for a certain period of time before injection, and the induced bone marrow stem cells were transplanted into the heart of a mammal with myocardial infarction to evaluate the change in condition. Myocardial blast cells induced by this method are much more clinically appropriate than those using chemical dimethylating agents such as 5-azacytidine, and are well grafted to the surrounding tissues and fuse with the surrounding tissues after transplantation. Differentiation into cardiomyocytes, the results showed that the cardiac function was significantly improved.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명에 따라, 이식되는 세포는 활발하게 증식하거나 충분히 분화하여 주변조직과의 상호 전기적 신호전달이 가능할 수 있다. 즉, 이식되는 세포는 이식된 심장조직에서 심근세포 발생의 늦은 단계에서 발현되어 심근세포 간에 세포막 채널을 형성하여 전기신호 전달을 가능하게 하는 Connexin-43을 발현하는 세포로 분화할 수 있으며, 기능이 상실된 심장조직을 대체하여 심기능을 획기적으로 개선시킬 수 있다.According to the present invention, the cells to be transplanted may be actively proliferated or sufficiently differentiated to enable mutual electrical signaling with surrounding tissues. That is, the transplanted cells can be differentiated into cells expressing Connexin-43, which is expressed at the late stage of cardiomyocyte development in the transplanted cardiac tissue and forms cell membrane channels between the cardiomyocytes, thereby enabling the transmission of electrical signals. Loss of heart tissue can be replaced to significantly improve heart function.

골수 줄기세포는 심장 특이적 마커를 이용하여 확인할 수 있는 심근세포계로 특이하게 유도되어 사용될 수 있다. 이때 마커들은 Nkx2.5, GATA4, MEF2(myosin enhancing factor), 그리고 SRF(serum response factor) 등을 포함하지만 이들만으로 제한되지는 않는다.Bone marrow stem cells can be specifically induced and used as a cardiomyocyte system that can be identified using cardiac specific markers. The markers include, but are not limited to, Nkx2.5, GATA4, myosin enhancing factor (MEF2), and serum response factor (SRF).

또한, 심근 아세포로 유도된 골수 줄기세포는 골수 중간엽 줄기세포의 표현형을 갖는 것으로 확인될 수 있다. 이를 확인하기 위해 사용되는 마커들은 CD13, CD29, CD31, CD34, CD44, CD45, CD73, CD90, CD105, CD106, CD133, c-kit 등을 포함하지만 이들만으로 제한되지는 않는다.In addition, myeloid stem cells induced myeloid stem cells can be identified as having a phenotype of bone marrow mesenchymal stem cells. Markers used to confirm this include, but are not limited to, CD13, CD29, CD31, CD34, CD44, CD45, CD73, CD90, CD105, CD106, CD133, c-kit, and the like.

심장과 연관된 마커들과 골수 중간엽 줄기세포의 확인은 검출 가능한 어떠한 방법, 예를 들어 리포터 유전자 발현(심장 특이적 프로모터(promoter)로 유도된 LacZ), RNA 발현(RT-PCR, Northern blot, RNase protection 방법), 또는 단백질 발현(면역 형광 염색법, western blot, flow cytometry) 등을 포함하지만 이들만으로 제한되는 것은 아니다.Identification of markers associated with the heart and bone marrow mesenchymal stem cells can be performed by any detectable method, for example reporter gene expression (LacZ induced by a heart specific promoter), RNA expression (RT-PCR, Northern blot, RNase). protection methods), or protein expression (immunofluorescence staining, western blot, flow cytometry) and the like, but are not limited thereto.

상기 방법을 이용하여 이식되는 세포는 심근 아세포 분화 과정 중 어떤 단계의 세포라도 사용할 수 있다.Cells transplanted using the method can be used at any stage of the myoblast differentiation process.

본 명세서에서 "골수 중간엽 줄기세포 또는 골수 줄기세포(BMSC)"는 CD45가 없는 골수 중간엽 유래 줄기세포를 의미한다. 골수 중간엽 줄기세포는 또한 골수 줄기세포나 골수 유래 다잠재성 전구 세포라고도 불린다."Bone marrow mesenchymal stem cell or bone marrow stem cell (BMSC)" as used herein refers to bone marrow mesenchymal-derived stem cells without CD45. Bone marrow mesenchymal stem cells are also called bone marrow stem cells or bone marrow-derived multipotential progenitor cells.

"심장 세포(cardiac cell)"는 분화된 심장 세포(예를 들어, 심근세포) 또는 심장 세포를 생성하거나 심장 세포로 분화되도록 결정된 세포(예를 들어, 심근 모세포 또는 심근 아세포)를 의미한다."Cardiac cell" refers to differentiated heart cells (eg cardiomyocytes) or cells (eg, cardiomyocytes or cardiomyocytes) that have been determined to produce or differentiate into cardiac cells.

"심근세포(cardiomyocyte)"는 심장에서 검출 가능한 양의 마커(예를 들어, 알파 미오신 heavy chain, cTnI, MLC2v, 알파 심장 액틴, in vivo에서 Cx43)를 발현하고, 수축하며, 증식은 하지 않는 근육 세포를 의미한다."Cardiomyocyte" is a muscle that expresses, contracts and does not proliferate a detectable amount of marker in the heart (e.g. alpha myosin heavy chain, cTnI, MLC2v, alpha heart actin, Cx43 in vivo). It means a cell.

"심근 모세포(cardimyoblast)"는 심장에서 검출 가능한 양의 심장 마커를 발현하고, 수축하고, 증식하는 세포를 의미한다.By "cardimyoblast" is meant a cell that expresses, contracts, and proliferates a detectable amount of cardiac marker in the heart.

"심근 아세포(cardiomyogenic cell)"는 검출 가능한 양의 Csx/Nkx2.5 RNA 또는 단백질을 발현하고, 조직화된 육종 구조나 수축이 보이지 않고, 검출 가능한 양의 미오신 heavy chain 단백질이 발현되지 않는 세포를 의미한다."Cardiomyogenic cell" means a cell that expresses a detectable amount of Csx / Nkx2.5 RNA or protein, shows no organized sarcoma structure or contraction, and does not express a detectable amount of myosin heavy chain protein. do.

"심장 특이적인(cardiac specific)"은 최종적으로 분화된 마커들이 발현되기 이전에 초기 심장 전사 인자들이 발현되는 심장 분화의 초기단계를 의미하며, "심장 특이적 배지(cardiac specific media)"는 골수 줄기세포를 심근세포로 유도하는 bFGF, BMP-2 및 IGF-1을 함유하는 배지를 의미한다."Cardiac specific" refers to the early stages of cardiac differentiation in which early cardiac transcription factors are expressed before finally differentiated markers are expressed, and "cardiac specific media" is bone marrow stem A medium containing bFGF, BMP-2 and IGF-1, which induce cells into cardiomyocytes.

"교차분화(transdifferentiation)"는 적절한 외부 환경에 의하여 배엽기원이 다른 타종의 세포로 분화하는 것을 의미한다."Transdifferentiation" refers to the differentiation of germ cells into cells of another species by the appropriate external environment.

"커미트먼트(commitment)"는 자가증식하는 줄기세포의 특징을 가지면서 최종적으로 분화된 마커들이 발현되기 이전에 초기 심장 전사 인자들이 발현되는 심장 분화의 초기단계로 처리함을 의미한다.“Commitment” refers to the characterization of autologous stem cells and treatment at the early stage of cardiac differentiation, where early cardiac transcription factors are expressed before finally differentiated markers are expressed.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 예시일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예만으로 한정되는 것은 아니다. 또한 본 실시예에서는 래트 골수에서 채취한 골수 줄기세포를 이용하고 있지만 본 발명은 이에 한정되지 않고, 인간, 개, 마우스(mouse), 원숭이 등을 포함하는 모든 종류의 포유류 종에서 채취한 골수 줄기세포에 유사하게 적용된다.Hereinafter, an Example demonstrates this invention in detail. However, the following examples are only examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited only to the following examples. In addition, in the present embodiment, bone marrow stem cells collected from rat bone marrow are used, but the present invention is not limited thereto, and bone marrow stem cells obtained from all kinds of mammalian species including humans, dogs, mice, monkeys, and the like. Similarly applies.

실시예Example 1: 생물학적 성장인자와 함께 배양된  1: incubated with biological growth factors 커미티드Committed 골수 줄기세포(Committed  Bone marrow stem cells BMSCBMSC )의 세포 표면 Cell surface 마커의Of marker 확인 Confirm

골수 줄기세포는 크게 두 가지 종류의 세포, 즉 조혈모세포(Hematopoetic stem cell)와 중간엽 줄기세포(Mesenchyma stem cell)로 나눌 수 있다. 쥐과 동물의 골수 줄기세포의 세포 표면 단백질은 조혈모세포 마커로 CD34, CD45, 그리고 CD133 등이 있고, 중간엽 줄기세포로 CD29, CD90, CD44, 그리고 CD105 등이 있고, 공통적으로 c-kit에 대하여 양성인 것으로 알려져 있다. 그러나, 세포 표면 단백질은 쥐과 동물 사이에서도 서로 다른 양상을 보이는 등, 상기 세포 표면 단백질에 대한 특징이 완전히 확립되진 않았으나 대개 조혈모세포는 CD45+이고 중간엽 줄기세포는 CD45-, CD90+, CD29+, CD44+인 것으로 알려져 있다.Bone marrow stem cells can be roughly divided into two types of cells, hematopoetic stem cells and mesenchyma stem cells. Cell surface proteins of bone marrow stem cells in rats include CD34, CD45, and CD133 as hematopoietic stem cell markers, and CD29, CD90, CD44, and CD105 as mesenchymal stem cells, and are generally positive for c-kit. It is known. However, although cell surface proteins have different characteristics among murines, the characteristics of the cell surface proteins are not fully established, but hematopoietic stem cells are usually CD45 + and mesenchymal stem cells are CD45-, CD90 +, CD29 +, and CD44 +. Known.

본 출원인의 선출원을 통해, 골수 줄기세포에 성장인자를 처리하여 심근 아세포로 커미트먼트시킬 수 있음을 확인하였는데, 이와 같이 커미트먼트된 골수 줄기세포(committed BMSC)와, 성장인자를 처리하지 않고 배양한 골수 줄기세포(uncommitted BMSC) 사이에 세포 표면 단백질의 특성을 비교하였다.Through the applicant's prior application, it was confirmed that bone marrow stem cells can be treated with growth factors and committed to myocardial blast cells. Thus committed bone marrow stem cells (committed BMSC) and bone marrow stems cultured without processing growth factors The characteristics of cell surface proteins were compared between cells (uncommitted BMSCs).

F344 래트의 대퇴골을 분리하여 내부의 골수 줄기세포를 분리한 후 10 % 우혈청, 100M L-아스코르브산-2-PO4, 5∼15 ng/㎖ mLIF(mouse leukemia inhibitory factor) 및 20 nM 덱사메타손과 함께 배양하였다. 이러한 in vitro 조건에서 골수 줄기세포는 자가 증식 성질을 유지하고 성장인자와 같은 분화 시약에 반응성을 잃지 않으면서 계대 배양을 통해 증식된다. 모든 배양기와 슬라이드는 골수 줄기세포를 넣기 전에 콜라겐(5 ng/㎖)으로 15 분간 상온에서 코팅하였다. 이러한 in vitro 조건은 골수 줄기세포의 자가 재생성(self-renewing)과 계대 배양에 의하여 성장인자와 같은 분화 물질에 반응성을 잃는 일이 없도록 하기 위하여 사용된다. 또한, 여러 계대 배양을 통해 배양된 골수 줄기세포는 줄기세포 형태(mesenchymal morphology)와 정상 핵형(karyotype)을 유지한다.Isolate femoral stem cells of F344 rats to isolate internal bone marrow stem cells, followed by 10% bovine serum, 100M L-ascorbic acid-2-PO 4 , 5-15 ng / ml mouse leukemia inhibitory factor (mLIF) and 20 nM dexamethasone. Incubated together. Under these in vitro conditions, bone marrow stem cells proliferate through subcultures without losing their reactivity to differentiation reagents such as growth factors. All incubators and slides were coated with collagen (5 ng / ml) at room temperature for 15 minutes before adding bone marrow stem cells. These in vitro conditions are used to ensure that bone marrow stem cells do not lose reactivity to differentiation agents such as growth factors by self-renewing and passage. In addition, bone marrow stem cells cultured through multiple passages maintain mesenchymal morphology and normal karyotype.

골수 줄기세포를 심근 아세포로 유도하는 방법으로, 2 회 계대 배양(passage 2) 후, DMEM에 2∼20 % 우혈청, 1∼1000 μM L-아스코르브산-2-PO4, 5∼15 ng/㎖ mLIF, 1∼200 nM 덱사메타손, 1∼200 ng/㎖ bFGF, 1∼200 ng/㎖ BMP2, 그리고 1∼200 ng/㎖ IGF-I을 포함하는 배지를 6∼7 일간 처리하여 커미티드 골수 줄기세포를 생산하였다. 생물학적 성장인자를 처리하지 않는 언커미티드 골수 줄기세포는 10 % 우혈청, 100M L-아스코르브산-2-PO4, 5∼15 ng/㎖ mLIF(mouse leukemia inhibitory factor) 및 20 nM 덱사메타손과 함께 배양하였다. 또한 다른 대조군으로 래트의 골수 줄기세포를 분리하여 10 % 우혈청, 100M L-아스코르브산-2-PO4, 5∼15 ng/㎖ mLIF 및 20 nM 덱사메타손과 함께 배양하여 배양기 바닥에 붙어 자라는 골수 중간엽 줄기세포(Passage 0)를 사용하였다.Induction of bone marrow stem cells into myocardial blast cells, after 2 passages (passage 2), 2-20% bovine serum in DMEM, 1-1000 μM L-ascorbic acid-2-PO 4 , 5-15 ng / Committed bone marrow stems treated with medium containing mL mLIF, 1-200 nM dexamethasone, 1-200 ng / mL bFGF, 1-200 ng / mL BMP2, and 1-200 ng / mL IGF-I for 6-7 days Cells were produced. Uncommitted bone marrow stem cells not treated with biological growth factors were incubated with 10% bovine serum, 100M L-ascorbic acid-2-PO 4 , 5-15 ng / ml mouse leukemia inhibitory factor (mLIF) and 20 nM dexamethasone It was. In addition, the bone marrow stem cells of rats were isolated with another control group and cultured with 10% bovine serum, 100M L-ascorbic acid-2-PO 4 , 5-15 ng / ml mLIF, and 20 nM dexamethasone to grow to the bottom of the incubator. Lobe stem cells (Passage 0) were used.

세포 표면 단백질 염색 방법은 다음과 같다: 세포를 0.05 % 트립신-EDTA로 분리하였다. 분리한 세포는 1×105/100 μL의 농도로 항-래트-CD29-FITC, 항-래트-CD90-FITC(녹색), 항-래트-CD44-FITC, 항-래트-CD34-PE, 항-래트-CD45-FITC (이상 직접 염색법), 항-래트-CD133, 항-래트-CD105, 그리고 항-래트-c-kit (이상 간접 염색법)을 각각 10 ng씩 처리하였다. 30 분간 4 ℃에서 반응시키고, PBS로 1회 세척하였다. PBS를 제거하고 직접 염색법의 시료는 1 % 파라포름알데하이드로 고정하여 냉장 보관하였고, 간접법의 시료, CD105 그리고 c-kit은 고트-항-토끼-Alexa 488-항체를 넣고, CD133 시료에는 마우스-항-고트-Alexa 488-항체를 넣어주어 30 분간 4 ℃에서 반응시키고, PBS를 넣어 1회 세척하여 원심분리하였다. PBS를 제거하고 시료를 1 % 파라포름알데하이드로 고정하여 냉장 보관하였다. 제작된 샘플은 FACS Calibur(BD, USA)로 분석하였다.The cell surface protein staining method is as follows: Cells were separated by 0.05% trypsin-EDTA. Separated cells 1 × 10 5 / wherein the concentration of 100 μL - rat -CD29-FITC, anti-rat -CD90-FITC (green) and anti-rat -CD44-FITC, anti-rat -CD34-PE, wherein Rat-CD45-FITC (above direct staining), anti-rat-CD133, anti-rat-CD105, and anti-rat-c-kit (above indirect staining) were each treated with 10 ng. The reaction was carried out at 4 ° C. for 30 minutes and washed once with PBS. PBS was removed and samples of direct staining were refrigerated and fixed in 1% paraformaldehyde. Indirect samples, CD105 and c-kit, were added with Goth-anti-rabbit-Alexa 488-antibody. -Got-Alexa 488-antibody was added to react for 30 minutes at 4 ℃, PBS was added once washed and centrifuged. PBS was removed and the samples were refrigerated with 1% paraformaldehyde. Prepared samples were analyzed by FACS Calibur (BD, USA).

도 1은 Passage 0의 골수 줄기세포 표면 단백질 분석 사진, 도 2는 Passage 2의 언커미티드 골수 줄기세포 표면 단백질 분석 사진, 그리고 도 3은 Passage 2의 골수 줄기세포에 성장인자를 6∼7 일간 처리한 커미티드 골수 줄기세포 표면 단백 질 분석 사진이다.Figure 1 is a picture of analysis of bone marrow stem cell surface protein of Passage 0, Figure 2 is a picture of analysis of uncommitted bone marrow stem cell surface protein of Passage 2, Figure 3 is treated with growth factors in the bone marrow stem cells of Passage 2 6-7 days One committed bone marrow stem cell surface protein analysis picture.

도 1에서 세포 표면 단백질 염색 실험 결과를 보면, 골수 줄기세포 배양 후 passage 0의 골수 줄기세포는 CD90(A), CD29(B), CD44(C) 및 CD45(F)에 대하여는 강한 양성 반응을 나타내었고, CD105(D), CD34(E), CD133(G) 및 c-kit(F)은 음성으로 나타났다. 그리고, 도 2에서 passage 2(두 번 계대 배양)의 언커미티드 골수 줄기세포는 CD90(A), CD29(B), CD44(C)에 대하여는 강한 양성 반응을 나타내었고, CD105(D), CD34(E), CD45(F), CD133(G) 및 c-kit(F)은 음성으로 나타났으며, 도 3의 커미티드 골수 줄기세포의 경우도 이와 큰 차이를 보이지 않았다.As shown in the cell surface protein staining experiment in FIG. 1, bone marrow stem cells in passage 0 after bone marrow stem cell culture showed strong positive responses to CD90 (A), CD29 (B), CD44 (C) and CD45 (F). CD105 (D), CD34 (E), CD133 (G) and c-kit (F) were negative. In FIG. 2, uncommitted bone marrow stem cells of passage 2 (two passages) showed strong positive responses to CD90 (A), CD29 (B), and CD44 (C), and CD105 (D) and CD34. (E), CD45 (F), CD133 (G) and c-kit (F) was negative, even in the case of committed bone marrow stem cells of Figure 3 did not show a big difference.

이상의 결과를 보면, 성장인자를 처리하여 심근 아세포로 커미티드된 골수 줄기세포는 여전히 골수 줄기세포의 성질을 잃지 않은 세포인 것을 알 수 있다.From the above results, it can be seen that the bone marrow stem cells committed to myocardial blast cells treated with growth factors are still cells that have not lost the properties of the bone marrow stem cells.

실시예Example 2:  2: 래트Rat 심근 아세포( Myocardial blast ( CMCCMC , , cardiomyocytecardiomyocyte )와의 혼합배양(co-culture)을 통한 Through co-culture with 커미티드Committed 골수 줄기세포(committed bone marrow-derived  Committed bone marrow-derived mesenchymalmesenchymal stem cell)의 심근 아세포로의 최종 분화 확인 final differentiation of stem cells into myoblasts

F344 래트의 대퇴골로부터 골수 줄기세포를 분리하여 10 % 우혈청, 100M L-아스코르브산-2-PO4, 5∼15 ng/㎖ mLIF(mouse leukemia inhibitory factor) 및 20 nM 덱사메타손과 함께 배양하였다.Bone marrow stem cells were isolated from the femur of F344 rats and cultured with 10% bovine serum, 100M L-ascorbic acid-2-PO 4 , 5-15 ng / ml mLIF (mouse leukemia inhibitory factor) and 20 nM dexamethasone.

골수 줄기세포의 분화는, 두 번 계대 배양 후, DMEM에 2∼20 % 우혈청, 1∼1000 μM L-아스코르브산-2-PO4, 5∼15 ng/㎖ mLIF, 1∼200 nM 덱사메타손, 1∼200 ng/㎖ bFGF, 1∼200 ng/㎖ BMP2, 그리고 1∼200 ng/㎖ IGF-I을 포함하는 배지를 사 용하였다. 이러한 조건에 의하여 배양된 골수 줄기세포는 심근 아세포의 마커 단백질인 MEF2 단백질의 발현을 유도한다는 것이 본 출원인의 선출원에 기술되어있다(국내특허공개 제10-2005-0055823호“세포이식을 위한 세포의 생산방법”).Differentiation of bone marrow stem cells, after two passages, 2-20% bovine serum in DMEM, 1-1000 μM L-ascorbic acid-2-PO 4 , 5-15 ng / ml mLIF, 1-200 nM dexamethasone, Medium containing 1-200 ng / ml bFGF, 1-200 ng / ml BMP2, and 1-200 ng / ml IGF-I was used. Bone marrow stem cells cultured under these conditions induce the expression of MEF2 protein, a marker protein of cardiomyocytes, is described in the applicant's prior application (Korean Patent Publication No. 10-2005-0055823 “Celling of Cells for Cell Transplantation”. Production method ”).

혼합 배양에 사용되는 F344 래트의 심근 아세포를 얻기 위해 신생 래트(신생 2 일)의 심장을 분리하여 PBS로 세척하고 심실 부분만을 잘게 잘라내어 0.05 % 트립신-EDTA로 37 ℃에서 10 분간 처리하였다. 이후 상등액을 10 % 우혈청을 포함한 DMEM 배지에 넣어 4 ℃에서 보관하고, 이 과정을 7 회 반복하였다. 모아진 상등액을 원심분리하여 10 % 우혈청/DMEM 배지에 넣어, 5 % 이산화탄소를 포함한 37 ℃ 세포 인큐베이터에서 1 시간 동안 배양하였다. 배양 1 시간 후 배양기 바닥에는 섬유 아세포만 부착되고 심근 아세포는 배양기에 붙지 않아 배양액에 남아있게 된다. 심근 아세포를 포함한 배양액을 모아 원심분리 후 PBS(Phosphate Buffered Saline)로 세척한 후 우혈청이 없는 DMEM 배지에서 24시간 동안 배양하고, 이후 배지를 제거하고 10 % 우혈청/DMEM 배지를 넣어주었다. 여기에 성장인자와 함께 배양하여 심근 아세포로 커미트먼트된 세포를 래트 심장에서 분리한 심근 아세포와 각각 4:1의 비율로 섞어주고, 이 배양기를 5 % 이산화탄소를 포함하는 37 ℃ 세포 인큐베이터에서 배양하였다.In order to obtain myocardial blast cells of F344 rats used in the mixed culture, the hearts of newborn rats (2 days old) were separated, washed with PBS, and only the ventricular sections were chopped and treated with 0.05% trypsin-EDTA at 37 ° C. for 10 minutes. The supernatant was then placed in DMEM medium containing 10% bovine serum and stored at 4 ° C., and this procedure was repeated seven times. The collected supernatants were centrifuged and placed in 10% bovine serum / DMEM medium and incubated for 1 hour in a 37 ° C. cell incubator containing 5% carbon dioxide. After 1 hour of culture, only fibroblasts adhered to the bottom of the incubator, and myocardial cells did not adhere to the incubator and remained in the culture. The culture medium containing myocardial blasts was collected and centrifuged, washed with PBS (Phosphate Buffered Saline), incubated in DMEM medium without bovine serum for 24 hours, and then the medium was removed and 10% bovine serum / DMEM medium was added thereto. Here, the cells cultured with growth factors and committed to myocardial blast cells were mixed with the myocardial blast cells isolated from the rat heart at a ratio of 4: 1, respectively, and the incubators were cultured in a 37 ° C. cell incubator containing 5% carbon dioxide.

완전한 심근세포로 분화가 된 것을 증명할 수 있는 가장 중요한 단백질로서는 심근세포간 갭정션(gap junction)을 만들어 근세포의 동시적 수축을 가능케 하고 세포간 연락물질의 이동을 수행하는 단백질 마커인 Connexin-43과 심장근육 조직을 구성하는 cardiac Troponin I을 가장 많이 사용한다(Nature, Vol. 410, 701- 704, 2001).The most important proteins that can prove the differentiation into complete cardiomyocytes include Connexin-43, a protein marker that creates gap junctions between cardiomyocytes, enabling the simultaneous contraction of muscle cells and the movement of intercellular contacts. Cardiac Troponin I, which constitutes cardiac muscle tissue, is the most used ( Nature , Vol. 410, 701-704, 2001).

혼합 배양에 의한 골수 줄기세포의 심근세포로의 분화를 알아보기 위하여, 혼합배양 2 일 후 심근세포의 최종분화를 나타내는 특이 마커인 Connexin-43(녹색), 그리고 cardiac Troponin I(적색) 항체를 사용하여 면역염색을 하였다.To examine the differentiation of bone marrow stem cells into cardiomyocytes by mixed culture, Connexin-43 (green) and cardiac Troponin I (red) antibody, which are specific markers indicating the final differentiation of cardiomyocytes after 2 days of mixed culture, were used. Immunostaining was performed.

도 4는 언커미티드 골수 줄기세포(A∼D)와 커미티드 골수 줄기세포(E∼H)를 심근 아세포와 2 일간 혼합 배양하여 심근세포 특이 마커인 Connexin-43(녹색)과 cardiac Troponin I(적색)을 염색하여 골수 줄기세포의 분화를 측정한 형광 현미경 사진(400 배)이다. 도 4로부터, 언커미티드 골수 줄기세포를 혼합 배양한(A∼D) 경우는 심근세포 특이 마커인 Connexin-43과 cardiac Troponin I 양성반응을 나타내는 빈도는 매우 낮지만, 커미티드 골수 줄기세포와 혼합 배양하였을 때(E∼F)는 거의 대부분의 세포에서 Connexin-43과 cardiac Troponin I 양성반응을 나타낸 것을 볼 수 있다. 이러한 결과로 볼 때, 본 발명의 방법으로 제조한 커미티드 골수 줄기세포는 심근 아세포와 혼합 배양을 통하여 심장에 존재하는 심근세포로 최종 분화될 수 있고, 그 분화 능력이 월등히 좋아진다는 것을 알 수 있다.Figure 4 is a mixed culture of uncommitted bone marrow stem cells (A-D) and committed bone marrow stem cells (E-H) with myocardial blast cells for 2 days, the cardiomyocyte specific markers Connexin-43 (green) and cardiac Troponin I ( It is a fluorescence micrograph (400x) which measured the differentiation of bone marrow stem cells by staining red). 4, the mixed culture of uncommitted bone marrow stem cells (A to D) shows a very low frequency of cardiac Troponin I positive reaction with Connexin-43, a cardiomyocyte specific marker, but mixed with committed bone marrow stem cells. When cultured (E-F), Connexin-43 and cardiac Troponin I were positive in almost all cells. From these results, it can be seen that the committed myeloid stem cells prepared by the method of the present invention can be finally differentiated into cardiomyocytes present in the heart through mixed culture with cardiomyocytes, and their differentiation ability is greatly improved. have.

실시예Example 3:  3: 커미티드Committed 골수 줄기세포의  Bone marrow stem cells 갭졍션Gap cushion 형성 및 기능 확인 Formation and Functional Verification

상기 실험에 의해, 커미티드 골수 줄기세포가 심근 아세포와의 혼합배양을 통해 Connexin-43을 발현하는 심근 아세포로 최종 분화됨을 확인하였으므로, 다음에 새로 형성된 갭정션이 정상적인 기능을 나타내는지 확인하였다.By the above experiment, it was confirmed that the committed myeloid stem cells were finally differentiated into myoblasts expressing Connexin-43 through the mixed culture with the myoblasts. Then, it was confirmed whether the newly formed gap junctions showed normal function.

전술된 실험 방법에 따라 혼합 배양을 할 때, 언커미티드 골수 줄기세포 또는 성장인자를 6∼7 일간 처리한 커미티드 골수 줄기세포는 세포질을 염색하는 DiI(Molecular Probe) 염색약(적색으로 발색)으로 미리 염색하고, 동시에 Connexin-43에 의하여 형성된 갭정션을 통하여 이동이 가능한 Calcein AM(녹색으로 발색)을 세포에 처리하여 배양하였다. 혼합 배양 2 일 후 형광현미경(칼자이스 악시오 버트 200)으로 관찰하여 언커미티드 골수 줄기세포 또는 커미티드 골수 줄기세포의 Calcein AM 염색액이 래트 심근 아세포로 이동하였는지 보았다. 그리고, Calcein AM 염색액이 갭정션을 통하여 이동한 것인지 증명하기 위하여, 갭정션의 기능을 제한하는 특이적 물질인 헵탄올을 상기된 방법으로 세포를 배양할 때 배지에 첨가하여 갭정션을 통한 물질 이동을 저해한 후 관찰하였다 In the mixed culture according to the experimental method described above, uncommitted bone marrow stem cells or committed bone marrow stem cells treated with growth factors for 6 to 7 days were stained with DiI (Molecular Probe) dye (red color) to stain the cytoplasm. Staining in advance, at the same time the cells were cultured by treating the cells with Calcein AM (colored in green), which can be moved through a gap junction formed by Connexin-43. Two days after the mixed culture, the fluorescence microscope (Cal Zeiss Axio Butt 200) was observed to see whether Calcein AM stain of uncommitted bone marrow stem cells or committed bone marrow stem cells was transferred to rat cardiomyocytes. Then, to prove that the Calcein AM stain was shifted through the gap junction, heptanol, a specific substance that restricts the function of the gap junction, was added to the medium when the cells were cultured by the method described above. Observed after inhibiting migration

도 5는 심근 아세포와 혼합 배양에서 발현된 Connexin-43에 의하여 형성된 갭정션의 기능을 분석한 레이저 형광 현미경 사진(400 배)으로, (A)∼(C)는 언커미티드 골수 줄기세포와 혼합 배양한 사진, (D)∼(F)는 커미티드 골수 줄기세포와 혼합 배양한 사진, (G)∼(L)은 각각의 그룹에 헵탄올을 처리하여 Connexin-43에 의한 갭정션을 저해한 후 Calcein AM 염색액의 이동을 관찰한 사진이다.5 is a laser fluorescence micrograph (400 times) of the analysis of the function of the gap junction formed by Connexin-43 expressed in the mixed culture with myocardial blast cells, (A) ~ (C) is mixed with uncommitted bone marrow stem cells Cultured photographs, (D) to (F) are mixed cultured with committed bone marrow stem cells, (G) to (L) is treated with heptanol in each group to inhibit the gap junction by Connexin-43 It is a photograph observing the movement of Calcein AM stain.

도 5의 C(언커미티드 골수 줄기세포)와 F(커미티드 골수 줄기세포)에서 주황색을 나타내는 것은 골수 줄기세포이고, 녹색 형광을 나타내는 것이 갭정션에 의해 Calcein AM 염색액이 전이된 심근 아세포이다. 도 5의 (A)∼(F)에서 보았을 때, 언커미티드 골수 줄기세포와 혼합 배양한 세포에서는 물질의 이동이 거의 보이지 않았으나 커미티드 골수 줄기세포는 함께 혼합 배양된 심근 아세포로 물질의 이동이 활발하게 이루어졌음을 확인하였다. 도 5에서 (G)∼(I)는 언커미티드 골수 줄기세포 혼합 배양한 경우이고, (J)∼(L)은 커미티드 세포 혼합 배양한 경우로, 헵탄올 에 의한 갭정션 저해시에는 양쪽 그룹 모두에서 Calcein AM 염색액의 이동이 관찰되지 않았다.In FIG. 5, C (uncommitted bone marrow stem cells) and F (committed bone marrow stem cells) are orange bone marrow stem cells, and green fluorescence is myocardial blast cells in which Calcein AM stain is transferred by gap junction. . 5 (A) to (F), the movement of the substance was not observed in the cells cultured with the uncommitted bone marrow stem cells, but the movement of the material to the myocardial blast cells co-cultured with the committed bone marrow stem cells. It was confirmed that it was active. In FIG. 5, (G) to (I) are cases of mixed culture of uncommitted bone marrow stem cells, and (J) to (L) are cases of mixed culture of committed cells. No movement of Calcein AM stain was observed in both groups.

이상의 실험 결과에 따라, 성장인자를 처리하여 커미트먼트된 골수 줄기세포가 그렇지 않은 골수 줄기세포보다 혼합 배양에 의한 심근 아세포로의 분화가 더 잘 이루어지며, 또한 정상적인 물질이동 기능을 가진 갭정션을 형성하는 것을 확인하였다.According to the results of the above experiment, the growth factor-committed bone marrow stem cells are more differentiated into myocardial blast cells by mixed culture than the bone marrow stem cells that do not, and also form a gap junction with normal mass transfer function. It was confirmed.

실시예Example 4:  4: 웨스턴Weston 블러팅을Blurring 이용한 골수 줄기세포의 심근 아세포  Myoblasts of Bone Marrow Stem Cells 커미트먼트Commitment 확인 Confirm

래트의 대퇴골에서 분리한 골수 줄기세포를 계대 배양을 통하여 증식시켰다. 두 번의 계대 배양 후 세포를 8 개의 배양기에 나눠 배양하는데, 이 중 4 개 배양기의 세포 배양 배지는 10 % 우혈청, 100M L-아스코르브산-2-PO4, 5∼15 ng/㎖ mLIF (mouse leukemia inhibitory factor) 및 20 nM 덱사메타손을 포함한 배지를 사용하고, 나머지 4 개는 심근 아세포 분화 배지인 DMEM에 2∼20 % 우혈청, 1∼1000 μM L-아스코르브산-2-PO4, 5∼15 ng/㎖ mLIF. 1∼200 nM 덱사메타손, 1∼200 ng/㎖ bFGF, 1∼200 ng/㎖ BMP2, 그리고 1∼200 ng/㎖ IGF-I을 포함하는 배지를 사용하였다.Bone marrow stem cells isolated from the femur of rats were expanded through passage culture. After two passages, the cells are divided into eight incubators, four of which are cultured with 10% bovine serum, 100M L-ascorbic acid-2-PO 4 , 5-15 ng / ml mLIF (mouse). leukemia inhibitory factor) and a medium containing 20 nM dexamethasone, the other four in DMEM, myocardial cell differentiation medium, 2-20% bovine serum, 1-1000 μM L-ascorbic acid-2-PO 4 , 5-15 ng / ml mLIF. A medium comprising 1-200 nM dexamethasone, 1-200 ng / ml bFGF, 1-200 ng / ml BMP2, and 1-200 ng / ml IGF-I was used.

각각의 배양 배지는 2 내지 3 일마다 새롭게 만든 배지로 바꿔 주었고, 배지 처리 후 1 일, 3 일, 5 일, 7 일에 각각 세포를 수집하였다. 수집된 세포는 단백질 추출 용액(protein extraction reagent, Novagen)으로 단백질을 추출하였다. 추출 한 단백질은 10 % 아크릴아마이드 겔을 사용하여 40 mA에서 2 시간 동안 전기영동 하였다. 전기영동이 끝난 겔은 PVDF 멤브레인에 트렌스퍼하여 웨스턴 블럿을 실시하였다.Each culture medium was changed to fresh medium every 2 to 3 days, and cells were collected at 1, 3, 5 and 7 days after the medium treatment. The collected cells were extracted with a protein extraction reagent (Novagen). The extracted protein was electrophoresed for 2 hours at 40 mA using a 10% acrylamide gel. After electrophoresis, the gel was transferred to PVDF membrane and subjected to western blot.

심근 아세포 특이적 단백질인 Nkx2.5, MEF2 그리고 GATA-4 단백질의 웨스턴 블럿에 의한 검출 방법은 다음과 같다: 단백질이 트랜스퍼된 PVDF 멤브레인을 블로킹 용액(5 % 탈지유, 0.05 % Tween-20이 함유된 트리즈마 완충용액)으로 4 시간 동안 상온에서 블로킹하고, 세척 용액(0.05 % Tween-20이 함유된 트리즈마 완충용액)으로 15 분간 3 회 상온에서 세척하였다. 멤브레인에 고트-항-Nkx2.5(1:200, SC-8697, Santa Cruz Biotechnonogy, Santa Cruz) 항체, 토끼-항-MEF2(1:200, SC-10794, Santa Cruz Biotechnonogy, Santa Cruz) 항체, 및 토끼-항-GATA-4(1:200, SC-9053, Santa Cruz Biotechnonogy, Santa Cruz) 항체를 넣어 4 ℃에서 12 시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 멤브레인은 세척 용액으로 15 분간 3 회 세척하고, HRP(horse radish peroxidase)가 부착된 2차 항원(Nkx2.5는 고트, MEF2 그리고 GATA-4는 토끼)을 1:10,000으로 넣어 1 시간 동안 상온에서 반응시켰다. 이후, 멤브레인을 세척 용액으로 15 분간 3 회 세척하고, 세척 용액을 깨끗이 제거한 후 HRP 기질 용액을 첨가하여 반응시켰다. 반응이 끝난 멤브레인을 X-ray 필름으로 감광하여 단백질의 발현을 분석하였다.Western blot detection of myocardial cell specific proteins Nkx2.5, MEF2 and GATA-4 proteins was as follows: Transfer the PVDF membrane to which the protein was transferred using a blocking solution (5% skim milk, 0.05% Tween-20). Trisma buffer solution) was blocked for 4 hours at room temperature, and washed three times for 15 minutes at room temperature with a wash solution (Trizma buffer solution containing 0.05% Tween-20). Goat-anti-Nkx2.5 (1: 200, SC-8697, Santa Cruz Biotechnonogy, Santa Cruz) antibody, rabbit-anti-MEF2 (1: 200, SC-10794, Santa Cruz Biotechnonogy, Santa Cruz) antibody, And rabbit-anti-GATA-4 (1: 200, SC-9053, Santa Cruz Biotechnonogy, Santa Cruz) antibody was added and reacted for 12 hours at 4 ℃. After the reaction, the membrane was washed three times with a washing solution for 15 minutes, and a secondary antigen (Hk (2.5 for Goth, MEF2 and GATA-4) for rabbit) with HRP (horse radish peroxidase) was added at 1: 10,000 for 1 hour. It was reacted at room temperature for a while. Thereafter, the membrane was washed three times with a washing solution for 15 minutes, and the washing solution was completely removed, followed by addition of an HRP substrate solution. After the reaction, the membrane was exposed to an X-ray film to analyze protein expression.

도 6은 언커미티드 골수 줄기세포와 커미티드 골수 줄기세포를 웨스턴 블럿 실험을 통하여 심근세포 특이 마커인 Nkx2.5, GATA-4, 그리고 MEF2 단백질의 발현을 나타낸 사진으로, 다섯 번째 줄은 래트의 심장에서 추출한 단백질로서 양성 대 조군으로 사용한 것이다. 도 6에서 보듯이, 생물학적 성장인자를 사용하여 배양한 커미티드 골수 줄기세포는 심근 아세포 특이 마커인 Nkx2.5와 GATA-4 단백질이 1 일, 3 일에는 발현이 없었으나 5 일부터 나타나기 시작하여 7 일째는 더욱 증가하는 현상을 보였다. 그러나, 생물학적 성장인자를 사용하지 않은 언커미티드 골수 줄기세포는 7 일까지 거의 단백질의 발현이 보이지 않았다. MEF2 단백질 또한 커미티드 골수 줄기세포에서 단백질 발현량이 확연히 증가함을 확인하였다.Figure 6 is a photograph showing the expression of the cardiomyocyte specific markers Nkx2.5, GATA-4, and MEF2 protein through Western blot experiment for uncommitted bone marrow stem cells and committed bone marrow stem cells, the fifth line of the rat It is a protein extracted from the heart and used as a positive control. As shown in FIG. 6, the committed myeloid stem cells cultured using the biological growth factor did not express the Nkx2.5 and GATA-4 proteins, which are myocardial blast specific markers, on day 1 and day 3 but began to appear from day 5 On the seventh day, the phenomenon was further increased. However, uncommitted bone marrow stem cells that did not use biological growth factors showed little protein expression until 7 days. MEF2 protein was also confirmed to significantly increase the amount of protein expression in committed myeloid stem cells.

실시예Example 5:  5: 커미티드Committed 골수 줄기세포의 심근경색 모델  Myocardial Infarction Model of Bone Marrow Stem Cells 래트Rat 이식 및 분화  Transplantation and Differentiation 마커Marker 단백질의 발현 평가 Expression Evaluation of Proteins

12 주령, 암컷 F344 래트(체중 200∼250 g, Daehan Biolink)를 사용하였으며, 심근경색 모델은 왼쪽 관상동맥을 45 분간 결찰하여 혈관을 폐색하고, 45 분 후 결찰을 풀어 만들어졌다. 경색은 1 주일 동안 안정화하였다. 또한, 근친 교배 래트인 F344를 사용하여 면역 거부반응을 방지하였다.Twelve weeks old, female F344 rats (200-250 g body weight, Daehan Biolink) were used, and myocardial infarction model was made by ligating the left coronary artery for 45 minutes to occlude the vessels and after 45 minutes to release the ligation. Infarctions stabilized for 1 week. In addition, F344, an inbred rat, was used to prevent immune rejection.

이식되는 골수 줄기세포는 F344 래트의 대퇴골에서 분리하여, DMEM 배지로 두 번 세척하고 배양 배지(2∼20 % 우혈청, 1∼1000 M L-아스코르브산-2-PO4, 1∼200 nM 덱사메타손, 그리고 5∼15 ng/㎖ mLIF)를 사용하여 두 번 계대 배양 후, DMEM에 2∼20 % 우혈청, 1∼1000 μM L-아스코르브산-2-PO4, 5∼15 ng/㎖ mLIF, 1∼200 nM 덱사메타손, 1∼200 ng/㎖ bFGF, 1∼200 ng/㎖ BMP2, 그리고 1∼200 ng/㎖ IGF-I을 포함하는 배지를 사용하여 6∼7 일간 배양해서 심근 아세포로 커미티드된 세포를 생산하였다. 언커미티드 골수 줄기세포는 생물학적 성장인자를 포함하지 않 은 배양 배지를 사용하여 생산하였다. 세포 수집 때, 이식 후 세포의 생존과 분화를 추적하기 위하여 붉은색 형광 표지제인 DiI로 세포를 표지하였으며, 대략 1×106 개의 세포를 수집하여 심장의 경색부위 6∼10 군데에 26호 주사기를 이용하여 주입하였다. 대조군으로는 심근경색 모델 래트에 세포 대신 DMEM을 주입하였으며, 다른 대조군으로는 심근경색을 유발하지 않고 가슴 절개 수술만 진행한 래트를 사용하였다.The transplanted bone marrow stem cells were isolated from the femur of F344 rats, washed twice with DMEM medium and cultured medium (2-20% bovine serum, 1-1000 M L-ascorbic acid-2-PO 4 , 1-200 nM dexamethasone). , And passage twice using 5-15 ng / ml mLIF), followed by 2-20% bovine serum in DMEM, 1-1000 μM L-ascorbic acid-2-PO 4 , 5-15 ng / ml mLIF, Incubated for 6-7 days using medium containing 1-200 nM dexamethasone, 1-200 ng / ml bFGF, 1-200 ng / ml BMP2, and 1-200 ng / ml IGF-I and committed to cardiomyocytes Cells were produced. Uncommitted bone marrow stem cells were produced using culture media that did not contain biological growth factors. At the time of cell collection, cells were labeled with DiI, a red fluorescent label, to track the survival and differentiation of the cells after transplantation. Approximately 1 × 10 6 cells were collected and a No. 26 syringe was placed at 6 to 10 infarcts of the heart. By injection. As a control group, myocardial infarction rats were injected with DMEM instead of cells. As another control group, rats that underwent chest incision without causing myocardial infarction were used.

세포 이식 8 주 후, 심장을 적출한 후 냉동조직 절편 기법으로 심장조직을 유리 슬라이드에 부착하여 이식된 세포의 생존 여부를 DiI를 형광 현미경을 통하여 측정하였다. 심근경색 래트의 심장조직에 이식된 골수 줄기세포를 분석하기 위하여 면역 조직 항체 반응을 통하여 조사하였다.After 8 weeks of cell transplantation, the heart was removed, and the tissue was attached to the glass slide using a frozen tissue section technique. DiI was measured for survival of the transplanted cells by fluorescence microscopy. In order to analyze the bone marrow stem cells transplanted into the heart tissue of myocardial infarction rats, the immune tissue antibody response was investigated.

도 7은 심근경색 래트의 심장에 커미티드 골수 줄기세포를 주입하여 8주 후에 면역 염색 방법을 통하여 심근 아세포로 분화를 본 사진으로, 적색을 나타내는 것은 DiI 염색액으로 염색하여 주입한 커미티드 골수 줄기세포이고, 녹색은 심근 아세포 특이 마커인 Connexin-43(A, B; 200배), cTnI(C∼D; 200배), 그리고 MF-20(E; 400배)를 나타내는 것이며, F는 각각의 마커 단백질을 발현하는 랫트의 빈도를 나타내는 그래프로 회색은 언커미티드, 흑색은 커미티드 골수 줄기세포의 경우이다. 도 7에서 보듯이, 커미티드 골수 줄기세포는 경색심근에 주입되면 심근에 생착하고 심근 아세포로 분화가 일어난다는 것을 알 수 있다. 이러한 분화의 비율을 도 7의 (F) 그래프를 통해서 보면, Connexin-43은 언커미티드 골수 줄기세포를 주입한 래트에서 약 12 % 정도의 비율로 나타났고, 커미티드 골수 줄기세포는 약 60 % 정도로 5 배 높은 비율로 나타났으며, cTnI은 각 32 %와 75 %로 2 배 이상 높았고, MF-20은 각 12 %와 50 %로 4 배 이상인 것으로 나타났다.7 is a picture showing the differentiation into myocardial blast cells through the immunostaining method after 8 weeks after injection of committed bone marrow stem cells into the heart of myocardial infarction rat, the red one shows the committed bone marrow stem injected by staining with DiI stain solution. Cells, green indicates myocardial blast specific markers Connexin-43 (A, B; 200-fold), cTnI (C-D; 200-fold), and MF-20 (E; 400-fold), F being the respective A graph showing the frequency of rats expressing marker proteins, gray for uncommitted and black for committed bone marrow stem cells. As shown in Figure 7, the committed bone marrow stem cells can be seen that when injected into the infarction myocardial engraftment and differentiation into myocardial blast cells. The ratio of this differentiation is shown in the graph of (F) of Figure 7, Connexin-43 was about 12% in rats injected with uncommitted bone marrow stem cells, about 60% in committed bone marrow stem cells 5 times higher, cTnI was more than 2 times higher at 32% and 75%, and MF-20 was 4 times higher at 12% and 50%, respectively.

이상의 결과를 볼 때, 성장인자를 처리한 커미티드 골수 줄기세포가 언커미티드 골수 줄기세포보다 in vivo에서의 분화율이 획기적으로 증가함을 알 수 있다.From the above results, it can be seen that the rate of differentiation in vivo increased significantly compared to uncommitted bone marrow stem cells treated with growth factors.

실시예Example 6: 심근경색의 개선 6: improving myocardial infarction

상기 래트 심근경색 모델은 심장 초음파 조영술을 이용하여 골수 줄기세포 이식에 따른 회복 회과를 측정하기 위하여 사용되었다. 심장 초음파 조영술은 세포 이식 전, 이식 후 4 주, 그리고 이식 후 8 주에 실시하였다.The rat myocardial infarction model was used to measure recovery recovery following bone marrow stem cell transplantation using echocardiography. Echocardiography was performed before cell transplantation, 4 weeks after transplantation, and 8 weeks after transplantation.

실험에 사용된 래트는 모두 51 마리(sham operation 10 마리, 배지 주입 14 마리, 언커미티드 골수 줄기세포 주입 15 마리 그리고 커미티드 골수 줄기세포 12 마리)가 사용되었다.All 51 rats used in the experiment (10 sham operations, 14 medium injections, 15 uncommitted bone marrow stem cell injections and 12 committed bone marrow stem cells) were used.

도 8은 심근경색 래트의 심장에 언커미티드 골수 줄기세포(A)와 커미티드 골수 줄기세포(B)를 이식하고 8 주 후의 심장 초음파 사진으로, 래트의 확장기말과 수축기말 내축 거리를 나타낸 것이고, (C)는 좌심실 박출 계수(Left Ventricular Ejection Fraction, LVEF), 그리고 (D)는 좌심실 분획적 단축(Left Ventricular Fractional Shortening, LVFS)을 비교한 그래프이다. 도 8의 (A)로부터, 심근경색 후 언커미티드 골수 줄기세포가 주입된 래트의 심장은 좌심실 수축기말과 확장기말의 내축 거리가 많이 넓어져 심근경색으로 인하여 심장의 기능이 저해되어진 것을 볼 수 있다. 반면, 도 8의 (B)로부터, 커미티드 골수 줄기세포를 주입한 래트의 심 장은 좌심실 수축기말과 확장기말의 내축 거리가 줄어든 것을 볼 수 있다. 따라서, 커미티드 골수 줄기세포가 이식된 심근경색 부위에서 심근 아세포로 최종 분화하여 경색된 심근을 대체하여 심장의 수축작용을 향상시킨 것을 알 수 있다.8 is an 8-week echocardiogram of uncommitted bone marrow stem cells (A) and committed bone marrow stem cells (B) implanted in the heart of myocardial infarction rats, showing the end- and end-stem axial distances of the rats. (C) is a graph comparing left ventricular ejection fraction (LVEF) and (D) left ventricular fractional shortening (LVFS). From Figure 8 (A), the heart of rats injected with uncommitted bone marrow stem cells after myocardial infarction is shown that the inner axial distance between the left ventricular systolic end and the diastolic end is widened so that the function of the heart is inhibited due to myocardial infarction. have. On the other hand, from (B) of Figure 8, the heart of the rat injected with committed bone marrow stem cells can be seen that the internal axis distance of the left ventricular systolic end and dilator end is reduced. Therefore, it can be seen that the committed myeloid stem cells were finally differentiated into myocardial blast cells in the transplanted myocardial infarction site, thereby replacing the infarcted myocardium, thereby improving the contractile function of the heart.

또한, 심근 기능을 수치적으로 나타낼 수 있는 도 8의 (C)에서 좌심실 박출 계수(LVEF), 그리고 (D)에서 좌심실 분획적 단축(LVFS)이 세포를 주입한 두 그룹 모두 배지만을 주입한 래트 보다 좋아졌으나, 커미티드 골수 줄기세포를 주입한 래트의 심근 기능이 훨씬 더 좋은 개선 효과를 나타낸 것을 볼 수 있다.In addition, both groups in which the left ventricular ejection fraction (LVEF) in FIG. 8 (C) and the left ventricular fractional shortening (LVFS) in (D) were injected with the medium alone could numerically indicate myocardial function. Even better, the myocardial function of rats injected with committed bone marrow stem cells showed a much better improvement.

이상의 결과에서 보면, 각 동물에서 경색 부위의 수축력이 개선되어 심근층의 인접부위와 조화를 이루게 된 것을 알 수 있다. 심장 초음파 결과는 실시예 4의 조직 면역 염색 결과를 기능적으로 재확인하는 것이며 성장인자로 배양된 커미티드 골수 줄기세포의 이식이 경색 이후의 심장 조직을 획기적으로 회복시킨다는 것을 입증하고 있다.From the above results, it can be seen that the contractile force of the infarct region in each animal is improved to harmonize with the adjacent region of the myocardial layer. The echocardiography results functionally reaffirm the tissue immunostaining results of Example 4 and demonstrate that transplantation of committed bone marrow stem cells cultured with growth factors significantly restores heart tissue after infarction.

실시예Example 7. 부정맥의 개선 7. Improvement of arrhythmia

심근경색에 의한 사망은 심장의 수축력이 감소하여 혈액을 체내에 공급하지 못하게 되는 것이 주된 원인이 된다. 이와 동시에, 심근경색에 의한 부정맥은 심장 근육의 이상으로 인하여 동시적인 수축을 저해하여 심장마비를 유발함으로써 사망케 하기도 한다. 따라서 골수 줄기세포가 이식된 이후, 갭정션을 통해 주변의 살아있는 심근세포와 세포간 연락(cell to cell communication)이 자유로이 이루어져 부정맥이 유발되지 않아야 한다(Nature, Vol. 410, 701-705, 2001).Death due to myocardial infarction is the main cause of the contraction of the heart and the inability to supply blood to the body. At the same time, arrhythmia caused by myocardial infarction may cause a heart attack by inhibiting simultaneous contraction due to abnormal heart muscle. Therefore, after bone marrow stem cells are transplanted, cell junctions with surrounding living cardiomyocytes should be freely established through gap junctions to prevent arrhythmia ( Nature , Vol. 410, 701-705, 2001). .

실시예 4에 기술된 방법에 따라 래트 심근경색 모델을 만들어 언커미티드 골 수 줄기세포와 커미티드 골수 줄기세포를 1×106 개씩 주입하였다. 세포주입 8 주 후 대퇴골 혈관에 마취약을 주입하고, 30 분간 안정화시켰다. 이후 인위적으로 부정맥을 유도하는 아코니틴(aconitine)을 10 mg/ℓ의 농도로 8 분 30 초간 0.1 ㎖/분의 속도로 주입하였다. 아코니틴 주입 후 20 분간 심장 초음파로 부정맥을 기록하여, 심실 조기수축(Premature ventricular contractions, PVC's)을 계수하고, 심실성 빈맥(Ventricular tachycardia)의 발생 빈도를 기록하였다.Rat myocardial infarction model was prepared according to the method described in Example 4 and injected with 1 × 10 6 uncommitted bone marrow stem cells and committed bone marrow stem cells. Eight weeks after cell injection, anesthesia was injected into the femoral vessels and allowed to stabilize for 30 minutes. Thereafter, artificially induced aconitine (aconitine) was injected at a rate of 0.1 ml / min for 8 minutes and 30 seconds at a concentration of 10 mg / l. Arrhythmia was recorded by echocardiography for 20 minutes after aconitine injection, counting premature ventricular contractions (PVC's), and the incidence of ventricular tachycardia.

도 9는 골수 줄기세포를 주입한 래트에 부정맥 유발 물질을 주입하여 부정맥 유발 정도를 측정한 결과로, (A)는 심실성 빈맥의 발생 빈도, (B)는 심실 조기수축을 보여준다. 도 9에서 보듯이, 심실 조기수축(B)은 언커미티드 골수 줄기세포를 주입한 래트에서는 2,205±414회가 발생한 반면, 커미티드 골수 줄기세포를 주입한 래트에서는 655±302 회로 상당히 줄어들었다. 또한, 심실성 빈맥의 발생 빈도(A)에서도 각각 75 %와 67 %로 커미티드 골수 줄기세포를 주입한 래트가 더 낮게 나타난 것을 볼 수 있다.9 is a result of measuring the degree of arrhythmia induced by injecting an arrhythmia-inducing substance in the rat injected with bone marrow stem cells, (A) shows the incidence of ventricular tachycardia, (B) shows early ventricular contraction. As shown in Figure 9, ventricular premature contraction (B) occurred 2,205 ± 414 times in rats injected with uncommitted bone marrow stem cells, while significantly reduced to 655 ± 302 cycles in rats injected with committed bone marrow stem cells. In addition, in the incidence of ventricular tachycardia (A), the rats injected with committed myeloid stem cells were lower at 75% and 67%, respectively.

이상의 결과로부터, 생물학적 성장인자와 함께 배양된 커미티드 골수 줄기세포는 이식부위에서 심근 아세포로 최종 분화하면서 심근경색 주변부위의 심근과 조화를 이루어 심장의 수축이 이루어질 수 있게 되고, 따라서 부정맥의 유발 위험을 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.From the above results, committed myeloid stem cells cultured with biological growth factors are finally differentiated into myoblasts at the transplantation site, and in harmony with the myocardium at the periphery of the myocardial infarction, the heart contraction, thus risking arrhythmia. It can be seen that can be reduced.

본 발명의 방법에 따라 생산되는 세포는 줄기세포의 특징을 유지하면서 심근 아세포로 커미트먼트되어 있어서, 심장에 이식하였을 때 기존의 주변조직과 상호 전기적 신호전달이 가능한 심근세포로 최종적으로 분화되므로 심근 조직 재생을 위해 임상적으로 유효적절하다. 본 발명의 방법에 의하면, 임상적으로 최적의 생착과 생존율을 나타내며 심근세포로서의 기능을 충분히 발휘하여 심기능을 개선할 수 있는 커미티드 골수 줄기세포를 제공하여, 불충분한 심근 기능으로 인한 이상증으로 진단된 포유류(예, 인간)를 치료하는 데 이용할 수 있다.The cells produced according to the method of the present invention are committed to myocardial blast cells while maintaining the characteristics of stem cells, and when transplanted into the heart, finally differentiate into cardiomyocytes capable of mutual electrical signal transmission with existing peripheral tissues. Clinically appropriate for According to the method of the present invention, it provides clinically optimized engraftment and survival rate, and provides committed bone marrow stem cells that can fully function as cardiomyocytes and improve cardiac function, and diagnosed with abnormalities due to insufficient myocardial function. It can be used to treat mammals (eg, humans).

Claims (9)

(a) 불멸화(immortalized)되지 않는 골수 줄기세포를 공급하는 단계;(a) supplying bone marrow stem cells that are not immortalized; (b) 상기 골수 줄기세포를 골수 줄기세포의 성격을 유지하는 상태에서 계대 배양하는 단계;(b) subcultured with the bone marrow stem cells while maintaining the characteristics of the bone marrow stem cells; (c) 상기 골수 줄기세포를, 골수 중간엽 줄기세포의 성격을 유지하면서 심근 아세포로 커미트먼트시키도록 유도하는 심장 특이적 배지(cardiac specific media)에서, 상기 세포의 80 내지 90 %가 심근 아세포로 유도될 때까지 배양하는 단계; 및(c) in cardiac specific media that induces bone marrow stem cells to be committed to myocardial blast cells while maintaining the characteristics of the bone marrow mesenchymal stem cells, 80-90% of the cells are induced to cardiomyocytes Culturing until done; And (d) 상기 배양된 세포가 골수 중간엽 줄기세포의 특징적 마커를 발현할 때 단계 (c)의 세포를 수집하는 단계를 포함하는,(d) collecting the cells of step (c) when said cultured cells express characteristic markers of bone marrow mesenchymal stem cells, 포유류 심근 조직으로 이식하기 위한 세포의 생산 방법.Method of producing cells for transplantation into mammalian myocardial tissue. 제 1 항에 있어서, 상기 골수 줄기세포가 이식 대상 포유류로부터 유래되는 방법.The method of claim 1, wherein said bone marrow stem cells are derived from a mammal to be transplanted. 제 1 항에 있어서, 상기 포유류가 인간인 방법.The method of claim 1, wherein the mammal is a human. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (c)에서 6∼7 일 동안 배양하는 방법.The method of claim 1, wherein the step (c) is incubated for 6-7 days. 제 1 항에 있어서, 상기 심장 특이적 배지는 생물학적 성장인자를 포함하는 배지인 방법.The method of claim 1, wherein the cardiac specific medium is a medium comprising a biological growth factor. 제 5 항에 있어서, 상기 생물학적 성장인자가 bFGF(basic Fibroblast Growth Factor), BMP-2(Bone Morphogenic Protein-2) 및 IGF-I(Insulin-like Growth Factor-1)인 방법.6. The method of claim 5, wherein the biological growth factors are basic Fibroblast Growth Factor (bFGF), Bone Morphogenic Protein-2 (BMP-2) and Insulin-like Growth Factor-1 (IGF-I). 제 6 항에 있어서, 상기 bFGF, BMP-2 및 IGF-1의 농도는 1 내지 200 ng/㎖이고, 여기에 우혈청 2 내지 20 %, L-아스코르브산-2-PO4 1 내지 1000 μM, LIF 5 내지 15 ng/㎖, 및 덱사메타손 1 내지 200 nM를 더욱 포함하는 방법.The method according to claim 6, wherein the concentration of bFGF, BMP-2 and IGF-1 is 1 to 200 ng / ㎖, 2 to 20% of bovine serum, L- ascorbic acid-2-PO 4 1 to 1000 μM, LIF 5-15 ng / ml, and dexamethasone 1-200 nM. 제 1 항에 있어서, MEF2 단백질은 발현하고, MF-20는 발현하지 않는 단계의 세포를 수집하는 방법.The method of claim 1, wherein the cells of the step of expressing MEF2 protein and not expressing MF-20 are collected. 제 1 항에 있어서, 골수 중간엽 줄기세포의 특징적 마커가 CD29+, CD90+, CD44+, CD34-, CD45-인 방법.The method of claim 1, wherein the characteristic markers of bone marrow mesenchymal stem cells are CD29 +, CD90 +, CD44 +, CD34−, CD45−.
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