KR20190010112A - 자석을 이용한 줄기세포의 표적 전달 플랫폼 - Google Patents

Abstract

줄기세포 표적 전달 플랫폼은 자석, 자석이 삽입되는 헬멧, 및 금속 나노입자가 담지된 줄기세포를 함유하는 줄기세포 세트를 포함한다. 대상체에 헬멧을 착용한 후 금속 나노입자 결합 줄기세포를 주입하여 뇌질환의 표적 치료가 구현될 수 있다.

Description

자석을 이용한 줄기세포의 표적 전달 플랫폼{PLATFORM FOR TARGET DELIVERY OF STEM CELL USING MAGNET}

본 발명은 자석을 이용한 줄기세포의 표적 전달 플랫폼에 관한 것이다. 보다 상세하게는 뇌질환 병변으로 줄기세포를 자성을 이용해 표적 전달할 수 있는 플랫폼에 관한 것이다.

뇌출혈은 서양에서는 전체 뇌졸중의 약 10 내지 15%, 동양에서는 약 30%를 차지하는 것으로 알려져 있다. 뇌출혈은 초기 사망률이 높아 발병 1년 후 생존율이 약 38% 정도에 불과하다는 보고도 있으며, 회복 속도 역시 허혈성 뇌졸중에 비해 느린 편으로 알려져 있다.

뇌출혈은 다양한 기전에 의하여 뇌 실질 내에서 염증 반응을 초래할 수 있다. 상기 염증 반응은 뇌출혈 발생 이후 조직 손상을 유도할 뿐만 아니라 조직 재생 과정에 영향을 미쳐 신경학적 회복 및 재생을 저하시키는 것으로 알려져 있다.

그러나, 뇌혈관 재관류 등의 급성기 치료법이 있는 뇌경색과는 달리 아직 뇌출혈에 대한 효과적인 치료법은 아직 개발되지 못하고 있으며, 단지 지지 요법에 의존하고 있는 실정이다.

한편, 뇌출혈 및 뇌경색과 같은 뇌질환에 있어서도, 줄기세포를 이용한 치료법이 연구되고 있으며, 특히 줄기세포의 조직 재생 및 항염증 효과에 기인하여 그 활용성이 각광받고 있다.

그러나, 줄기세포의 이동 제어, 이식 방법, 전달 방법 등이 아직 제한적이며, 목적하는 뇌질환 병변에 정확히 적용하기에는 아직 한계가 있다.

예를 들면, 한국등록특허공보 제10-1654970호는 줄기세포를 유효성분으로 포함하는 뇌 염증성 질환의 치료용 조성물을 개시하고 있다.

한국등록특허공보 제10-1654970호(2016.09.06)

본 발명의 일 과제는 향상된 정확도, 안전성 및 인체 친화성을 갖는 자성을 이용한 비침습적인 줄기세포 표적 전달 플랫폼을 제공하는 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 줄기세포 표적 전달 플랫폼은 자석, 상기 자석이 삽입되는 헬멧, 및 금속 나노입자가 담지된 줄기세포를 함유하는 줄기세포 세트를 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 헬멧은 복수의 삽입부들을 포함하며, 상기 삽입부들중 적어도 2 이상에 각각 상기 자석이 삽입될 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 헬멧이 장착되는 대상체의 병변 부위에 따라 상기 자석이 삽입되는 삽입부들이 선택될 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 병변 부위는 뇌질환 부위를 포함하며, 상기 줄기세포는 인간 신경 줄기 세포(hNSC) 또는 배아줄기세포를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 금속 나노 입자는 산화철 나노입자를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 줄기세포 세트는 대상체에 정맥 주사 가능하도록 주입 제제 내에 침지된 용액 형태로 제조될 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 자석은 커브드 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르는 줄기세포 표적 전달 플랫폼을 활용하여 대상체에 침습, 마취 등의 필요 없이 헬멧 착용, 자석 배치 및 줄기세포 제제 주입만으로 실질적으로 정확한 줄기 세포 타겟팅 및 표적 치료가 구현될 수 있다.

따라서, 외과적 시술이 제거되어 대상체의 건강 상태에 따른 부작용, 쇼크 등의 위험성이 제거되며, MRI 등과 같은 고가의 장비 없이도 저비용으로 효과적인 뇌질환 치료가 구현될 수 있다.

또한, 헬멧을 통해 자석이 대상체의 머리에 고정되므로, 병변 부위를 선정하여 헬멧에 자석을 삽입함으로써 고정밀도의 표적 전달 및 표적 치료가 효과적으로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 줄기세포 표적 전달 플랫폼을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 줄기세포 표적 전달 플랫폼의 자석 헬멧을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 3은 쥐 실험을 위해 제작된 자석 헬멧의 이미지이다.
도 4는 쥐의 출혈성 뇌혈관 질환(intracerebral hemorrhage) 모델 형성 과정을 나타내는 이미지이다.
도 5는 쥐의 머리에 착용된 자석 헬멧을 나타내는 이미지이다.
도 6은 실시예에 있어서 뇌출혈 혈전 및 주변 조직 주변의 염색 결과를 나타내는 현미경 이미지이다.
도 7은 비교예에 있어서 뇌출혈 혈전 및 주변 조직 주변의 염색 결과를 나타내는 현미경 이미지이다.

본 발명의 실시예들은 자석, 상기 자석이 삽입되는 헬멧, 및 금속 나노입자가 담지된 줄기세포를 함유하는 줄기세포 세트를 포함하며, 비침습적으로도 병변 부위에 타겟팅이 가능한 줄기세포 표적 전달 플랫폼을 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명의 바람직한 실시예들을 제시하나, 이들 실시예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예들에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 줄기세포 표적 전달 플랫폼을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

도 1을 참조하면, 줄기 세포 표적 전달 플랫폼(이하, 전달 플랫폼으로 약칭함)은 자석(10), 헬멧(20) 및 금속 산화물 나노 입자(37)가 담지된 줄기 세포(35)가 함유된 줄기 세포 세트(30)를 포함할 수 있다.

본 출원에 사용되는 용어 "줄기 세포 표적 전달 플랫폼"은 줄기세포를 포함하는 표적 전달 키트, 장치 또는 시스템을 포괄하는 것으로 사용된다.

예시적인 실시예들에 따르면, 자석(10)은 헬멧(20) 내에 삽입될 수 있다. 자석(10)은 예를 들면, 강한 자성 또는 자장을 부가할 수 있다. 강자성 금속을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 따른 전달 플랫폼은, 뇌질환 병변 부위에 따라 삽입되도록 복수의 자석들(10)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 병변 부위에 인접하도록 복수의 자석들이 헬멧(20) 내에 삽입됨에 따라 자력 또는 자기장의 상호 부가에 의해 강한 자성을 인가할 수 있다.

헬멧(20)은 인간 또는 포유동물의 머리에 고정되도록 제작될 수 있다. 예를 들면, 헬멧(20)은 실리콘(silicone), 폴리에스테르 계열 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 우레탄 계열 수지, 폴리이미드 등과 같은 유연성이 있는 수지물질로 형성될 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 헬멧(20)은 3D 프린터를 이용하여 착용 대상체의 머리 모양에 맞도록 최적화되어 제작될 수 있다.

헬멧(20)은 상술한 수지 물질을 포함하는 몸체(22) 및 몸체(22) 내에 형성된 복수의 삽입부(25)를 포함할 수 있다. 삽입부(25)를 통해 자석(10)이 몸체(22) 내에 끼워질 수 있다.

예를 들면, 헬멧(20)의 몸체(22)는 2개의 수지 필름의 적층체를 포함하며, 외측 필름에 절개선이 형성되어 자석(10)이 삽입될 수 있도록 삽입부(25)가 형성될 수 있다.

삽입부(25)는 뇌질환의 병변 부위에 따라 자석(10)이 배치될 수 있도록 예를 들면, 전두부, 측두부 및 후두부를 따라 고르게 분포될 수 있다. 따라서, 뇌질환의 병변 부위가 정해지면, 상기 병변 부위에 인접한 삽입부들(25)을 선택하여 자석들을(10) 각각 삽입할 수 있다. 따라서, 상기 병변 부위의 인접 위치에서 복수의 자석들(10)을 통해 자력을 인가하여 줄기세포들(35)을 가이드할 수 있다.

헬멧(20)은 하측에 고정부(24)를 더 포함할 수 있다. 고정부(24)는 예를 들면 밴드 형태를 가지며 대상체의 목 주위에서 헬멧(20)이 고정되도록 설계될 수 있다.

예시적인 실시예들에 따른 전달 플랫폼은 줄기세포 세트(30)를 포함한다. 줄기세포 세트(30)는 금속 산화물 나노 입자가 담지된 줄기세포(35)들을 함유하는 용액 형태로 제조될 수 있다. 이에 따라, 줄기세포 세트(30)는 뇌질환을 갖는 인간 또는 포유 동물과 같은 대상체에 예를 들면, 정맥 주사를 통해 주입될 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 줄기 세포(35)는 신경 줄기세포(NSC) 또는 배아 줄기 세포(embryonic stem cell: ESC)를 포함할 수 있다.

줄기 세포(35)는 자기 재생 성능 및 항염증 성능을 보유하며, 이에 따라 뇌경색, 뇌출혈 등의 뇌질환 병변 부위로 타겟 전달이 이루어지는 경우 신경 재생, 혈관 재생, 항염증 작용을 통해 뇌질환을 치료 또는 개선시킬 수 있다.

줄기세포(35)는　예를 들면, 신경세포로 분화될 수 있는 미분화세포로,　신경세포, 성상세포 및 희소돌기 아교세포(oligodendrocyte) 등으로 분화할 수 있다. 줄기세포(35)는 동물로부터 유래된 것일 수 있다. 동물이란 인간 및 영장류뿐만 아니라, 소, 돼지, 양, 말, 개, 쥐, 랫트 및 고양이 등의 가축을 포함하며, 바람직하게는 인간일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 줄기 세포(35)로서 인간 신경 줄기 세포(hNSC)가 사용될 수 있다.

줄기세포(35)는 의료, 생물학 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 방법에 따라 배아　줄기세포로부터 분리하여 사용할 수 있고, 시판되는 제품을 구입하여 사용하거나, 통상적인 배양방법에 따라 배양하여 사용할 수도 있다.

금속 산화물 나노 입자(37)는 자석(10)에 의한 인력으로 병변 부위로 이동할 수 있는 강자성체의 산화물을 포함할 수 있다. 상기 강자성체는 예를 들면, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 금속 산화물 나노 입자(37)는 산화철(iron oxide) 나노입자를 포함할 수 있다.

금속 산화물 나노 입자(37)는 줄기 세포(35)와 주입 제제(transfection reagent)와 함께 소정의 시간 동안 반응 또는 침지시킴으로서, 줄기 세포(35) 내에 담지 또는 라벨링 될 수 있다.

상기 주입 제제는 혈청 용액 또는 리포펙타민(lipofectamine)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 소정의 시간의 반응 후에 예를 들면, PBS(phosphate-buffered saline)를 사용한 세척 공정을 통해 미반응 금속 산화물 나노 입자를 제거할 수 있다.

상술한 바와 같이 용액 형태로 제조된 줄기 세포 세트(30)는 정맥 주사를 통해 대상체에게 주입될 수 있다. 상기 대상체의 머리에는 자석(10)이 병변 부위에 인접한 삽입부(25)에 끼워진 헬멧(20)이 장착될 수 있다. 줄기 세포(35)에는 철 산화물과 같은 강자성 나노입자가 담지되므로, 상기 병변 부위로 줄기 세포들(35)이 타겟 전달될 수 있다. 따라서, 예를 들면 신경 줄기 세포의 작용에 의해 뇌질환의 치료 또는 개선 작용이 수행될 수 있다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 줄기세포 표적 전달 플랫폼의 자석 헬멧을 나타내는 개략적인 도면이다.

도 2를 참조하면, 자석(10)은 굴곡 혹은 커브드(curved) 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 환자의 병변 부위가 넓은 경우 표적 전달을 위한 자석(10)의 면적 또는 부피가 증가될 필요가 있을 수 있다.

일부 실시예들에 따르면, 자석(10)을 커브드 형상으로 제공하여 환자의 두부에 대한 커버리지(coverage)를 증가시킬 수 있다.

일 실시예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 자석(10)은 헬멧(20)의 두 개의 측부들 중 일 측부 또는 양 측부에 삽입될 수 있도록 제작될 수 있으며, 헬멧(20)의 곡률에 정합되도록 커브드 구조를 설계할 수 있다.

한편, 도 1 및 도 2에 도시된 자석의 개수, 형상 및 헬멧의 형상은 예시적인 것이며 본 발명의 헬멧이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 대상체의 병변 부위 위치, 면적, 또는 삽입되는 자석의 형상에 따라 헬멧의 형태는 적절히 변형될 수 있다.

또한, 자석(10)의 구조 또는 형상 역시 원형, 막대, 플레이트, 시트 형태 등 장착 용이성을 고려하여 적절히 변형될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 또한, 상술한 줄기 세포 표적 전달 플랫폼을 활용한 뇌질환 치료 방법 또는 줄기세포 표적 전달 방법을 제공한다.

상기 뇌질환 치료 방법 또는 줄기세포 표적 전달 방법에 있어서, 도 1을 참조로 설명한 바와 같이, 뇌질환을 앓는 대상체의 머리에 착용될 헬멧을 제작할 수 있다. 상기 헬멧은 예를 들면, 유연성 수지 물질을 이용해 3D 프린터를 통해 제작될 수 있다.

또한, 예를 들면 줄기세포(예를 들면, 배아 줄기세포, 신경 줄기 세포 등)를 산화철 나노입자와 담지 또는 결합시켜, 줄기세포 주입 제제를 제조할 수 있다.

상기 헬멧 내에는 병변 부위에 인접하도록 자석을 삽입할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 병변 부위를 커버하는 영역을 선정하여 복수의 자석들을 상기 영역 내에 위치시킬 수 있다. 이에 따라, 상승된 자력으로 상기 철 산화물 나노 입자가 결합된 줄기 세포를 유도할 수 있다.

이 후, 상기 줄기세포 주입 제제를 대상체에 예를 들면, 정맥 주사를 통해 주입할 수 있다. 주입된 상기 줄기세포는 상기 자석에 의해 병변 부위로 가이드 되어 실질적으로 표적 전달 및 표적 치료가 구현될 수 있다.

상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따르면 대상체에 침습, 마취 등의 필요 없이 헬멧 착용 및 줄기세포 제제 주입만으로 실질적으로 정확한 줄기 세포 타겟팅 및 표적 치료가 구현될 수 있다.

따라서, 외과적 시술이 제거되어 대상체의 건강 상태에 따른 부작용, 쇼크 등의 위험성이 제거될 수 있다. 또한, 비침습적 방법으로 줄기세포의 타겟 전달이 구현되므로 병변 치료의 적용 가능성이 현저히 향상될 수 있다.

비교예에 있어서, 줄기 세포를 유도하기 위해 자석 또는 자성 물질을 두부 내에 삽입할 수도 있다. 그러나, 이 경우 상술한 쇼크 등의 위험과 함께, 두부 내에서 자석 또는 자성 물질이 이동함에 따라 원하는 영역, 위치로 정확한 표적 전달이 획득되는 것은 실질적으로 곤란하다.

그러나, 본 발명의 실시예들에 따르면 헬멧을 통해 자석이 대상체의 머리에 고정되므로, 병변 부위를 선정하여 자석이 삽입되기만 하면 표적 전달 및 표적 치료가 효과적으로 구현될 수 있다.

상기 대상체는 인간일 수도 있으며, 인간을 제외한 개, 고양이, 말, 소 등의 포유류 들을 포괄할 수도 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적인 실험예를 제시하나, 이들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실험예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

실험예

자석 헬멧 제조

쥐의 머리모양에 맞도록 도 3에 도시된 바와 같이 실리콘계열 수지를 사용하여 헬멧을 제작하였다. 도 3에서 점선 원으로 표시된 바와 같이 설정된 뇌질환 병변 부위에 인접하도록 2개의 0.32T 자석이 삽입되었다.

국소 뇌출혈 쥐 모델 제작

도 4에 도시된 바와 같이, 뇌정위수술기(David Kopf Instruments, Tujunga, CA)에 쥐를 고정하고, 두피를 절개한 후 전기 드릴로 두개골을 천공하였다. 병변 부위의 좌표는 브레그마(bregma)에서 좌측 3.0 mm, 뒤 0.2 mm, 깊이 6 mm로 선조체에 해당하는 부위로 설정하였다.

30 gauge 해밀턴 주사기를 이용하여 PBS 1 ㎕L에 희석된 콜라게나아제(collagenase)(type IV, Sigma) 0.4 유닛을 1분에 걸쳐 주입 후 4분간 바늘을 정치시킨 후 천천히 빼냈다. 이후, 본 왁스(Bone wax)로 구멍을 막고 두피를 봉합하였다.

헬멧 장착

도 5에 도시된 바와 같이, 자석이 삽입된 헬멧을 뇌혈관 질환이 주입된 쥐의 머리에 장착하였다. 도 3에서 삽입된 자석들이 상술한 병변 부위의 좌표에 상응하도록 헬멧이 장착되어 고정되었다.

줄기세포 세트 형성

상업적으로 구매 가능한 배아줄기세포들(ESC)을 리포펙타민 처리하여, 40ug/ml의 산화철 나노입자와 24시간 동안 반응시킴으로써, 산화철 담지된 줄기 세포를 형성하였다. 24시간 반응 후에 형성된 줄기세포 세트는 PBS 용액으로 3회 세척되었다.

표적 전달 실험

국소 뇌출혈 모델 제작 24시간 후, 표적 전달 실험을 수행하였다. 산화철 담지된 줄기세포가 주입된 쥐를 비교예(헬멧 미착용), 도 5에 도시된 바와 같이, 헬멧이 장착된 쥐에 산화철 담지된 줄기세포가 주입된 쥐를 실시예로 설정하였다.

헬멧 장착 및/또는 줄기세포 주입 48시간 후에 병변 부위에서 줄기세포의 표적 전달 정도를 관찰하였다.

도 6은 실시예에 있어서 뇌출혈 혈전 및 주변 조직 주변의 염색 결과를 나타내는 현미경 이미지이다. 도 7은 비교예에 있어서 뇌출혈 혈전 및 주변 조직 주변의 염색 결과를 나타내는 현미경 이미지이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 전체 핵, 줄기세포 핵 및 줄기세포 내 산화철 염색을 통해 관찰한 현미경 소견에서, 뇌출혈 부위에 자석을 장착한 헬멧을 착용하였을 때 현저히 다수의 줄기세포의 표적 전달이 구현되었음을 확인하였다. 이를 통해 실질적으로 병변 부위에 대한 고정밀 표적 전달/표적이 되었음을 확인하였다.

10: 자석 20: 헬멧
22: 몸체 24: 고정부
25: 삽입부 30: 줄기세포 세트
35: 줄기 세포 37: 금속 산화물 나노 입자

Claims (7)

1. 자석;
   상기 자석이 삽입되는 헬멧; 및
   금속 나노입자가 담지된 줄기세포를 함유하는 줄기세포 세트를 포함하는, 줄기세포 표적 전달 플랫폼.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 헬멧은 복수의 삽입부들을 포함하며, 상기 삽입부들중 적어도 2 이상에 각각 상기 자석이 삽입되는, 줄기세포 표적 전달 플랫폼.
   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 헬멧이 장착되는 대상체의 병변 부위에 따라 상기 자석이 삽입되는 삽입부들이 선택되는, 줄기세포 표적 전달 플랫폼.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 병변 부위는 뇌질환 부위를 포함하며, 상기 줄기세포는 인간 신경 줄기 세포(hNSC) 또는 배아줄기세포를 포함하는, 줄기세포 표적 전달 플랫폼.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 나노 입자는 산화철 나노입자를 포함하는, 줄기세포 표적 전달 플랫폼.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 줄기세포 세트는 대상체에 정맥 주사 가능하도록 주입 제제 내에 침지된 용액 형태로 제조된, 줄기세포 표적 전달 플랫폼.
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 자석은 커브드(curved) 형상을 갖는, 줄기세포 표적 전달 플랫폼.

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