KR20190108918A - Nanoparticle delivery system for inducing chondrogenic differentiation of stem cells through RNA interference and method for chondrogenic differentiation using the same - Google Patents

Nanoparticle delivery system for inducing chondrogenic differentiation of stem cells through RNA interference and method for chondrogenic differentiation using the same Download PDF

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KR20190108918A
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Abstract

The present invention, as a nanoparticle transporter for inducing chondrogenic differentiation of stem cells through RNA interference, provides a nanoparticle transporter obtained by making a complex of a plasmid vector, comprising at least one microRNAs (miRNAs) targeting the RUNX2 gene and at least one short hairpin RNAs (shRNAs) targeting the RUNX2 gene, and a polyethylenimine conjugated with dexamethasone. The present invention also provides a method for differentiating stem cells into chondrocytes using the nanoparticle transporter and a pharmaceutical composition for reconstructing or regenerating cartilage tissue including stem cells transfected with the nanoparticle transporter, that is, a cell therapeutic agent.

Description

RNA 간섭을 통한 줄기세포의 연골분화 유도를 위한 나노입자 전달체 및 이를 이용한 연골세포로의 분화방법{Nanoparticle delivery system for inducing chondrogenic differentiation of stem cells through RNA interference and method for chondrogenic differentiation using the same}Nanoparticle delivery system for inducing chondrogenic differentiation of stem cells through RNA interference and method for chondrogenic differentiation using the same}

본 발명은 RNA 간섭을 통한 줄기세포의 연골분화 유도를 위한 나노입자 전달체에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 RNA 간섭을 통한 줄기세포의 연골분화 유도를 위한 나노입자 전달체로서, RUNX2 유전자를 표적으로 하는 하나 이상의 마이크로 RNAs(miRNAs) 및 RUNX2 유전자를 표적으로 하는 하나 이상의 짧은 헤어핀 RNAs(shRNAs)를 포함하는 플라스미드 벡터를 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민과 복합체화시켜 얻어진 나노입자 전달체에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 나노입자 전달체를 이용한 줄기세포의 연골세포로의 분화방법 및 상기 나노입자 전달체로 형질감염된 줄기세포를 포함하는 연골조직 재건 또는 재생을 위한 약학 조성물, 즉 세포 치료제에 관한 것이다.The present invention relates to a nanoparticle transporter for inducing cartilage differentiation of stem cells through RNA interference. More specifically, the present invention is a nanoparticle carrier for inducing cartilage differentiation of stem cells through RNA interference, one or more microRNAs (miRNAs) targeting the RUNX2 gene and one or more short hairpin RNAs targeting the RUNX2 gene A plasmid vector comprising (shRNAs) relates to a nanoparticle transporter obtained by complexing a dexamethasone conjugated polyethyleneimine. In addition, the present invention relates to a method for differentiating stem cells into chondrocytes using the nanoparticle transporter, and a pharmaceutical composition for reconstructing or regenerating cartilage tissue including stem cells transfected with the nanoparticle transporter, that is, a cell therapeutic agent.

RNA 간섭(RNA interference, RNAi)은 특정 mRNAs를 파괴함으로써 유전자 발현을 저해하며, 특정 유전자의 하향조절을 위해 사용된다. 이는 유전자 발현을 정확하고, 효율적이고, 안정적으로 억제하는 유용한 수단이다.RNA interference (RNAi) inhibits gene expression by destroying specific mRNAs and is used for downregulation of specific genes. This is a useful means of inhibiting gene expression accurately, efficiently and reliably.

두가지 종류의 분자, 즉 마이크로 RNAs(microRNAs, miRNAs) 및 짧은 간섭 RNAs(small interfering RNAs, siRNAs)가 RNAi로 기능한다. 이들 RNAs는 mRNAs에 결합할 수 있으며, 이에 의해 mRNAs의 발현을 증가시키거나 감소시켜 세포 증식, 성장, 분화 및 사멸과 같은 다양한 활성을 조절한다. 이러한 작은 RNAs는 원하는 계통(desired lineage)으로 줄기세포의 분화를 유도하기 위하여 사용되어 왔다. 역으로, 상류 신호전달 경로의 간섭은 특정 세포의 줄기세포 분화를 지연시키거나 혹은 차단할 수 있다. Two kinds of molecules, microRNAs (miRNAs) and small interfering RNAs (siRNAs), function as RNAi. These RNAs can bind to mRNAs, thereby increasing or decreasing the expression of mRNAs to regulate various activities such as cell proliferation, growth, differentiation and death. These small RNAs have been used to induce stem cell differentiation into desired lineage. Conversely, interference of upstream signaling pathways can delay or block stem cell differentiation of specific cells.

RUNX2는 초기부터 최종 단계까지 줄기세포의 골세포로의 분화에 있어서 중요한 역할을 하지만, 연골형성을 방지하는 것으로 보고된 바 있다(Agarwal T, et al., Alginate Bead Based Hexagonal Close Packed 3D Implant for Bone Tissue Engineering. ACS Appl Mater Interfaces 2016;8(47):32132-32145; Sthanam LK, et al. Biophysical regulation of mouse embryonic stem cell fate and genomic integrity by feeder derived matrices. Biomaterials 2017;119:9-22; Wang C, et al. Defect-Related Luminescent Hydroxyapatite-Enhanced Osteogenic Differentiation of Bone Mesenchymal Stem Cells Via an ATP-Induced cAMP/PKA Pathway. ACS Appl Mater Interfaces 2016;8(18):11262-71; Toda H, et al., Effect of hydrogel elasticity and ephrinB2-immobilized manner on Runx2 expression of human mesenchymal stem cells. Acta Biomater 2017;S1742-7061(17):30178-2; Boda SK, et al., Competing Roles of Substrate Composition, Microstructure, and Sustained Strontium Release in Directing Osteogenic Differentiation of hMSCs. ACS Appl Mater Interfaces 2017;9(23):19389-19408; Ramaswamy J, et al., Inhibition of osteoblast mineralization by phosphorylated phage-derived apatite-specific peptide. Biomaterials 2015;73:120-30). 따라서, RNAi를 통한 RUNX2의 사일런싱(silencing)은 줄기세포의 연골형성을 촉진한다(Caron MM, et al. Hypertrophic differentiation during chondrogenic differentiation of progenitor cells is stimulated by BMP-2 but suppressed by BMP-7. Osteoarthritis Cartilage 2013;21(4):604-13; Koelling S, et al. Migratory chondrogenic progenitor cells from repair tissue during the later stages of human osteoarthritis. Cell Stem Cell 2009;4(4):324-35).RUNX2 plays an important role in the differentiation of stem cells into osteoblasts from early to final stages, but has been reported to prevent cartilage formation (Agarwal T, et al., Alginate Bead Based Hexagonal Close Packed 3D Implant for Bone). . Tissue Engineering ACS Appl Mater Interfaces 2016 ; 8 (47): 32132-32145; Sthanam LK, et al Biophysical regulation of mouse embryonic stem cell fate and genomic integrity by feeder derived matrices Biomaterials 2017; 119:.. 9-22; Wang C, et al Defect-Related Luminescent Hydroxyapatite-Enhanced Osteogenic Differentiation of Bone Mesenchymal Stem Cells Via an ATP-Induced cAMP / PKA Pathway ACS Appl Mater Interfaces 2016; 8 (18):.. 11262-71; Toda H, et al. , Effect of hydrogel elasticity and ephrinB2- immobilized manner on Runx2 expression of human mesenchymal stem cells. Acta Biomater 2017; S1742-7061 (17): 30178-2; Boda SK, et al., Competing Roles of Substrate Composition, Microstructure, and Sustained Strontium Release in Directing Osteogenic Differentiation of hMSCs. ACS Appl Mater Interfaces 2017; 9 (23): 19389-19408; Ramaswamy J, et al., Inhibition of osteoblast mineralization by phosphorylated phage-derived apatite-specific peptide. Biomaterials 2015; 73: 120-30). Thus, silencing of RUNX2 via RNAi promotes cartilage formation in stem cells (Caron MM, et al. Hypertrophic differentiation during chondrogenic differentiation of progenitor cells is stimulated by BMP-2 but suppressed by BMP- 7.Osteoarthritis Cartilage 2013; 21 (4): 604-13; Koelling S, et al. Migratory chondrogenic progenitor cells from repair tissue during the later stages of human osteoarthritis.Cell Stem Cell 2009; 4 (4): 324-35).

본 발명자들은 RUNX2 활성을 감소시키고 또한 연골로의 분화를 촉진하기 위한, siRNA-코팅된 폴리(락틱-코-글리콜산) 나노입자[siRNA-coated poly(lactic-co-glycolic acid) nanoparticles, NPs)의 능력을 보고한 바 있다(Jeon SY, et al., Co-delivery of Cbfa-1-targeting siRNA and SOX9 protein using PLGA nanoparticles to induce chondrogenesis of human mesenchymal stem cells. Biomaterials 2014;35(28):8236-48). 본 발명자들은 또한 RUNX2-표적 siRNA 및 SOX9 플라스미드 DNA(pDNA)로 형질감염된 인간 중간엽 줄기세포(Human mesenchymal stem cells, hMSCs)는 연골로의 분화를 증가시키며, 골로의 분화를 감소시킨다(Jeon SY, et al., Co-delivery of SOX9 genes and anti-Cbfa-1 siRNA coated onto PLGA nanoparticles for chondrogenesis of human MSCs. Biomaterials 2012;33(17):4413-23). We have siRNA-coated poly (lactic-co-glycolic acid) nanoparticles (NPs) to reduce RUNX2 activity and also promote differentiation into cartilage. It is reported to the power bar (Jeon SY, et al, Co -delivery of Cbfa-1-targeting siRNA and SOX9 protein using PLGA nanoparticles to induce chondrogenesis of human mesenchymal stem cells Biomaterials 2014; 35 (28):.. 8236- 48). We also found that human mesenchymal stem cells (hMSCs) transfected with RUNX2-target siRNA and SOX9 plasmid DNA (pDNA) increase differentiation into cartilage and reduce differentiation into bone (Jeon SY, . et al, Co-delivery of SOX9 genes and anti-Cbfa-1 siRNA coated onto PLGA nanoparticles for chondrogenesis of human MSCs Biomaterials 2012; 33 (17):. 4413-23).

본 발명자들은 RUNX2 유전자를 표적으로 하는 다양한 miRNAs 및 shRNAs를 제작하여 연골형성 능력, 즉 줄기세포의 연골분화능을 평가하였다. 본 발명자들은 miRNAs 및/또는 shRNAs를 포함하는 플라스미드 DNA(pDNA)를 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민과 복합체화(complexing)하여 나노입자 전달체를 제조한 후, 이를 사용하여 인간 중간엽 줄기세포(human mesenchymal stem cells, hMSCs)를 형질감염시켜 연골분화능을 평가하였다. 놀랍게도, 본 발명자들은 특정 miRNAs 및 특정 shRNAs를 조합하여 hMSCs를 형질감염시켰을 때 시간차 사일런싱(time-interval silencing)을 통하여 초기에는 miRNAs가 RUNX2 유전자에 결합하여 먼저 작용하고, shRNAs는 나중 시점에서 작용함으로써, 즉 2 단계의 사일런싱에 의해 연골형성(chondrogenesis)을 효과적으로 유도함과 동시에 골형성(osteogenesis)을 억제할 수 있다는 것을 발견하였다.The present inventors fabricated various miRNAs and shRNAs targeting the RUNX2 gene to evaluate the cartilage forming ability, ie, the cartilage differentiation ability of stem cells. The inventors of the present invention complexed plasmid DNA (pDNA) containing miRNAs and / or shRNAs with polyethyleneimine conjugated with dexamethasone to prepare nanoparticle carriers, and then used to synthesize human mesenchymal stem cells. stem cells (hMSCs) were transfected to evaluate cartilage differentiation. Surprisingly, when we transfected hMSCs with a combination of specific miRNAs and specific shRNAs, we initially interacted with the RUNX2 gene first through time-interval silencing, and shRNAs acted later. In other words, it was found that the two-step silencing can effectively induce chondrogenesis and inhibit osteoogenesis.

따라서, 본 발명은 RNA 간섭을 통한 줄기세포의 연골분화 유도를 위한 나노입자 전달체로서, 특정 miRNAs 및 특정 shRNAs의 조합을 포함하는 플라스미드 벡터와 복합체화된 나노입자 전달체를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a nanoparticle transporter complexed with a plasmid vector comprising a combination of specific miRNAs and specific shRNAs as a nanoparticle transporter for inducing cartilage differentiation of stem cells through RNA interference.

또한, 본 발명은 상기 나노입자 전달체를 사용한 줄기세포의 연골세포로의 분화방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a method for differentiating stem cells into chondrocytes using the nanoparticle transporter.

또한, 본 발명은 상기 나노입자 전달체가 도입된 줄기세포를 포함하는, 연골조직 재건 또는 재생용 약학 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a pharmaceutical composition for cartilage tissue reconstruction or regeneration, including stem cells into which the nanoparticle transporter is introduced.

본 발명의 일 태양에 따라, RNA 간섭을 통한 줄기세포의 연골분화 유도를 위한 나노입자 전달체로서, RUNX2 유전자를 표적으로 하는 하나 이상의 마이크로 RNAs(miRNAs) 및 RUNX2 유전자를 표적으로 하는 하나 이상의 짧은 헤어핀 RNAs(shRNAs)를 포함하는 플라스미드 벡터를 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민과 복합체화시켜 얻어진 나노입자 전달체가 제공된다.In accordance with one aspect of the present invention, a nanoparticle transporter for inducing cartilage differentiation of stem cells via RNA interference, comprising one or more microRNAs (miRNAs) targeting the RUNX2 gene and one or more short hairpin RNAs targeting the RUNX2 gene Nanoparticle carriers obtained by complexing a plasmid vector comprising (shRNAs) with polyethyleneimine conjugated with dexamethasone are provided.

본 발명의 나노입자 전달체에 있어서, 상기 플라스미드 벡터는 서열번호 1 또는 2의 염기서열을 갖는 miRNAs를 포함할 수 있다. 또한, 상기 플라스미드 벡터는 서열번호 3 또는 4의 염기서열을 갖는 shRNAs를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 플라스미드 벡터는 서열번호 1의 염기서열을 갖는 miRNAs, 서열번호 2의 염기서열을 갖는 miRNAs, 서열번호 3의 염기서열을 갖는 shRNAs, 및 서열번호 4의 염기서열을 갖는 shRNAs를 포함한다.In the nanoparticle transporter of the present invention, the plasmid vector may include miRNAs having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 or 2. In addition, the plasmid vector may include shRNAs having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 or 4. Preferably, the plasmid vector comprises miRNAs having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, miRNAs having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2, shRNAs having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3, and shRNAs having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 4 do.

상기 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민은 N,N-디시클로헥실카르보디이미드 및 N-히드록시숙신이미드의 존재하에서, 덱사메타손을 폴리에틸렌이민과 반응시켜 얻어질 수 있다. 바람직하게는 상기 폴리에틸렌이민은 아미노에틸 사슬(aminoethyl branch)을 갖는 사슬구조의 폴리에틸엔이민(branched polyethylenimine, bPEI)일 수 있다. 또한, 상기 사슬구조의 폴리에틸엔이민은 0.6∼30 kDa의 중량평균분자량을 가질 수 있다.The polyethyleneimine conjugated with dexamethasone can be obtained by reacting dexamethasone with polyethyleneimine in the presence of N, N-dicyclohexylcarbodiimide and N-hydroxysuccinimide. Preferably, the polyethyleneimine may be a branched polyethylenimine (bPEI) having a chain chain having an aminoethyl branch. In addition, the polyethylenimine of the chain structure may have a weight average molecular weight of 0.6 to 30 kDa.

상기 복합체화는 (i) 수성 매질 중에서 상기 플라스미드 벡터를 상기 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민을 반응시키는 단계 및 (ii) 단계(i)에서 얻어진 반응 혼합물을 맴브레인 필터로 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 플라스미드 벡터는 상기 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민 1 μg에 대하여 0.75 ㎍ 이상의 비율로 복합체화되는 것이 바람직하다.The complexing may comprise (i) reacting the plasmid vector in an aqueous medium with the polyethyleneimine conjugated with dexamethasone and (ii) filtering the reaction mixture obtained in step (i) with a membrane filter. . The plasmid vector is preferably complexed at a rate of 0.75 μg or more relative to 1 μg of the dexamethasone conjugated polyethyleneimine.

본 발명의 다른 태양에 따라, 상기 나노입자 전달체로 줄기세포를 형질감염시키는 것을 포함하는, 줄기세포의 연골세포로의 분화방법이 제공된다. 본 발명의 분화방법에 있어서, 상기 줄기세포는 인간 중간엽 줄기세포일 수 있다. 또한, 상기 형질감염은 상기 나노입자 전달체를 포함하는 무혈청 배지 중에서 상기 줄기세포를 배양함으로써 수행될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of differentiating stem cells into chondrocytes comprising transfecting stem cells with the nanoparticle transporter. In the differentiation method of the present invention, the stem cells may be human mesenchymal stem cells. In addition, the transfection may be performed by culturing the stem cells in a serum-free medium containing the nanoparticle transporter.

본 발명의 또다른 태양에 따라, 상기 나노입자 전달체로 형질감염된 줄기세포를 포함하는 연골조직 재건 또는 재생용 약학 조성물이 제공된다. 본 발명의 약학 조성물에 있어서, 상기 줄기세포는 인간 중간엽 줄기세포일 수 있다.According to another aspect of the invention, there is provided a pharmaceutical composition for cartilage tissue reconstruction or regeneration comprising stem cells transfected with the nanoparticle transporter. In the pharmaceutical composition of the present invention, the stem cells may be human mesenchymal stem cells.

특정 miRNAs 및 특정 shRNAs를 조합하여 hMSCs를 형질감염시켰을 때 시간차 사일런싱(time-interval silencing)을 통하여 연골형성, 즉 연골분화를 효과적으로 유도할 수 있다는 것이 본 발명에 의해 밝혀졌다. 즉, 특정 miRNAs 및 특정 shRNAs를 플라스미드 벡터를 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민과 복합체화시켜 얻어진 나노입자 전달체로 hMSCs를 형질감염시킬 경우, 초기에는 miRNAs가 RUNX2 유전자에 결합하여 먼저 작용하고, shRNAs는 나중 시점에서 작용함으로써, 즉 2 단계의 사일런싱에 의해 연골형성을 효과적으로 유도함과 동시에 골형성을 억제할 수 있다는 것이 본 발명에 의해 밝혀졌다. 따라서, 상기 나노입자 전달체는 줄기세포의 연골세포로의 분화에 유용하게 사용될 수 있으며, 나아가 상기 나노입자 전달체가 도입된 줄기세포는 연골조직 재건 또는 재생을 위한 약학 조성물, 즉 세포 치료제로서 유용하게 사용될 수 있다.It has been found by the present invention that when transfected with hMSCs by combining certain miRNAs and specific shRNAs, cartilage formation, ie, cartilage differentiation, can be effectively induced through time-interval silencing. That is, when hMSCs are transfected with nanoparticle carriers obtained by complexing specific miRNAs and specific shRNAs with plasmid vectors conjugated with dexamethasone conjugated polyethylenimine, miRNAs initially bind to the RUNX2 gene and act first. It has been found by the present invention that by acting at a time point, that is, by two-step silencing, cartilage formation can be effectively induced and bone formation can be suppressed. Therefore, the nanoparticle transporter may be usefully used for differentiation of stem cells into chondrocytes, and further, the stem cell into which the nanoparticle transporter is introduced may be usefully used as a pharmaceutical composition for reconstructing or regenerating cartilage tissue, that is, a cell therapeutic agent. Can be.

도 1은 miRUNX2 및 shRUNX2의 제작 및 이들 RNAs를 포함하는 pDNA와 복합체화된 PEI/DEX NPs의 특성분석 결과이다.
도 1A는 miRUNX2 및 shRUNX2를 포함하는 벡터의 지도 및 서열을 나타낸다.
도 1B는 miRUNX2 및 shRUNX2를 포함하는 pDNA와 복합체화된 PEI/DEX NPs의 DLS 및 SEM 분석 결과를 나타낸다(스케일 바, 100 nm).
도 1C는 miRUNX2 및 shRUNX2를 포함하는 pDNA와 복합체화된 PEI/DEX NPs의 ξ-포텐셜 분석 결과를 나타낸다.
도 1D는 겔지연 분석(gel retardation assay)에서 miRUNX2 및 shRUNX2를 포함하는 pDNA와 PEI/DEX NPs의 강한 복합체화를 나타낸다
도 2는 hMSCs에 의한 PEI/DEX NPs의 내재화를 분석한 결과이다.
도 2A는 PEI NPs 및 PEI/DEX NPs 내재화의 FACS 분석 결과를 나타낸다. PEI NPs(a) 및 PEI/DEX NPs(b)는 hMSCs로 유입되었다.
도 2B는 TRITC의 형광 강도 측정 결과를 나타낸다[ 콘트롤 hMSCs(a), PEI NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 및 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(c)].
도 2C 및 도 2D는 공초점 레이저 현미경 분석 결과를 나타낸다[콘트롤 hMSCs(a), PEI NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 및 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(c)].
도 3은 miRUNX2 및 shRUNX2의 형질감염은 hMSCs에서 RUNX2 발현을 억제하는 것을 분석한 결과이다.
도 3A는 인간 RUNX2 mRNA를 표적으로 하는 miRNA 및 shRNA 서열의 모식도를 나타낸다[UTR; 비번역 영역(untranslated region)].
도 3B는 miRNA-1, miRNA-2, shRNA-1, 및 shRNA-2로 형질감염된 hMSCs의 RT-PCR 및 웨스턴 블롯 분석 결과를 나타낸다.
도 3C는 두개의 miRNAs, 두개의 shRNAs, 및 4개 인자 모두로 형질감염된 hMSCs의 RT-PCR 및 웨스턴 블롯 분석 결과를 나타낸다.
도 3D는 RUNX2 발현의 FACS 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), 두개의 miRNAs로 형질감염된 hMSCs(b), 두개의 shRNAs로 형질감염된 hMSCs(c), 및 4개 인자 모두로 형질감염된 hMSCs(d)].
도 3E는 RUNX2의 공초점 현미경 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), 두 개의 miRNAs로 형질감염된 hMSCs(b), 두 개의 shRNAs로 형질감염된 hMSCs(c), 및 4개 인자 모두로 형질감염된 hMSCs(d), 음성 대조군 hMSCs의 확대 이미지(e) 및 4개 인자 모두로 형질감염된 hMSCs의 확대 이미지. RUNX2 표지는 녹색으로 나타낸다. 스케일 바, 20 μm].
도 4는 두개의 miRNAs, 두개의 shRNAs, 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs의 형질감염은 hMSCs에서 RUNX2 발현을 억제하는 것을 분석한 결과이다.
도 4A는 두개의 miRNAs(a), 두개의 shRNAs(b), 및 4개의 인자 모두(c)를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs의 24, 48, 및 72 시간 동안의 RT-PCR 및 웨스턴 블롯 분석 결과를 나타낸다.
도 4B는 두개의 miRNAs, 두개의 shRNAs, 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs의 72시간 동안의 RT-PCR 및 웨스턴 블롯 분석 결과를 나타낸다.
도 4C는 RUNX2 발현의 FACS 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 두 개의 miRNAs를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(c), 두 개의 shRNAs를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(e)].
도 4D는 RUNX2의 공초점 현미경 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 두 개의 miRNAs를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(c), 두 개의 shRNAs를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(e). RUNX2 표지는 적색으로 나타낸다. 스케일 바, 20 μm].
도 5는 골형성 인자의 발현은 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서 감소되는 것을 분석한 결과이다.
도 5A는 RUNX2 결실이 어떻게 연골형성을 촉진하는지를 나타내는 모식도이다.
도 5B는 RUNX2의 RT-PCR 및 웨스턴 블롯 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(c), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs(d), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(e)].
도 6은 2D 시스템에서 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs의 연골형성을 분석한 결과이다.
도 6A는 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs의 형질감염이 2D 시스템에서 어떻게 hMSCs의 연골형성을 촉진하는지를 나타내는 모식도이다.
도 6B는 조직학적 분석 결과를 나타낸다[a-d: 알시안 블루 염색, e-h: 사프라닌-O 염색. 음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs(c), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d)]
도 6C는 GAG 함량 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs(c), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d)].
도 6D는 연골형성-관련 유전자 SOX9 및 골형성-관련 유전자 RUNX2 발현의 정량분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs(c), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d)].
도 6E는 골형성- 및 연골형성-관련 마커의 RT-PCR 및 웨스턴 블롯 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs(c), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d)].
도 6F는 SOX9 및 RUNX2의 공초점 현미경 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs(c), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d)].
도 7은 3D 시스템에서 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs의 연골형성을 분석한 결과이다.
도 7A는 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs의 형질감염이 3D 시스템에서 어떻게 hMSCs의 연골형성을 촉진하는지를 나타내는 모식도이다.
도 7B는 연골형성-관련 마커의 RT-PCR 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs(c), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d)].
도 7C는 연골형성-관련 마커 유전자의 실시간-qPCR 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs(c), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d)].
도 7D는 GAG 함량 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs(c), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d)].
도 7E는 조직학적 분석 결과를 나타낸다[a-d: 알시안 블루 염색, e-h: 사프라닌-O 염색. 음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs(c), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d). 스케일 바, 100 μm].
도 8은 3D 시스템에서 배양된 hMSCs의 연골형성 및 골형성을 분석한 결과이다.
도 8A는 SOX9, COL II, 및 아그리칸의 웨스턴 블롯 분석 결과를 나타낸다[ 음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs(c), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d)].
도 8B는 연골형성-관련 마커 단백질의 정량분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs(c), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d). *P < 0.05, **P < 0.05].
도 8C는 SOX9, COL II, 및 COL I의 면역조직학적 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a, e, i, 및 m), 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs(b, f, j, 및 n), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs(c, g, k, 및 o), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs(d, h, l, 및 p). 패널 r은 패널 p의 확대 이미지를 나타낸다. a-d: SOX9, e-h: COL II, i-l: 아그리칸, 및 m-p: 중첩 이미지(merged images). 스케일 바, 100 μm].
도 9는 PEI/DEX 중합체의 화학 구조를 나타낸다.
도 10은 DLS 분석 결과를 나타낸다[PEI 단독(a), 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 PEI(b), PEI/DEX NPs(c), 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 PEI/DEX NPs(d)].
도 11은 miRNAs 및 shRNAs를 포함하는 pDNA의 PEI/DEX 중합체와의 결합을 평가한 겔지연 분석(gel retardation assay) 결과를 나타낸다.
도 11A는 miRNAs를 포함하는 pDNA의 PEI/DEX와의 복합체화를 분석한 결과이다.
도 11B는 shRNAs를 포함하는 pDNA의 PEI/DEX와의 복합체화를 분석한 결과이다.
도 12는 Live/Dead 분석(Live/Dead assay)에 의해 다양한 함량의 PEI NPs 및 PEI/DEX NPs의 세포독성 효과를 측정한 결과이다.
도 13은 형질감염된 hMSCs에서 GFP 발현을 분석한 결과이다.
도 13A는 FACS 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), GFP pDNA로 복합체화된 PEI NPs로 형질전환된 hMSCs(b), 및 GFP pDNA로 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질전환된 hMSCs(c)].
도 13B는 공초점 현미경 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), GFP pDNA로 복합체화된 PEI NPs로 형질전환된 hMSCs(b), 및 GFP pDNA로 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질전환된 hMSCs(c)].
도 13C는 웨스턴 블롯 분석 결과를 나타낸다[음성 대조군 hMSCs(a), GFP pDNA로 복합체화된 PEI NPs로 형질전환된 hMSCs(b), 및 GFP pDNA로 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질전환된 hMSCs(c)].
도 14는 hMSCs의 연골형성을 유도하는, miRUNX2 및 shRUNX2를 포함하는 pDNA와 컨쥬게이션된 PEI/DEX NPs의 모식도이다. 이들 NPs는 엔도사이토시스를 통하여 hMSCs로 유입되고, 엔도좀으로부터 세포기질로 빠져나와, hMSCs의 연골형성을 자극한다.
FIG. 1 shows the results of preparation of miRUNX2 and shRUNX2 and characterization of PEI / DEX NPs complexed with pDNA containing these RNAs.
1A shows a map and sequence of a vector comprising miRUNX2 and shRUNX2.
1B shows the results of DLS and SEM analysis of PEI / DEX NPs complexed with pDNA containing miRUNX2 and shRUNX2 (scale bar, 100 nm).
1C shows the results of ξ-potential analysis of PEI / DEX NPs complexed with pDNA containing miRUNX2 and shRUNX2.
1D shows strong complexation of pDNA with PRUN / DEX NPs containing miRUNX2 and shRUNX2 in a gel retardation assay
Figure 2 shows the results of analyzing the internalization of PEI / DEX NPs by hMSCs.
2A shows the results of FACS analysis of PEI NPs and PEI / DEX NPs internalization. PEI NPs (a) and PEI / DEX NPs (b) were introduced into hMSCs.
2B shows the results of fluorescence intensity measurements of TRITC (control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with PEI NPs, and hMSCs (c) transfected with PEI / DEX NPs).
2C and 2D show the results of confocal laser microscopy (control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with PEI NPs, and hMSCs (c) transfected with PEI / DEX NPs).
Figure 3 is the result of analysis that the transfection of miRUNX2 and shRUNX2 inhibits RUNX2 expression in hMSCs.
3A shows a schematic of miRNA and shRNA sequences targeting human RUNX2 mRNA [UTR; Untranslated region].
3B shows the results of RT-PCR and Western blot analysis of hMSCs transfected with miRNA-1, miRNA-2, shRNA-1, and shRNA-2.
3C shows the results of RT-PCR and Western blot analysis of hMSCs transfected with two miRNAs, two shRNAs, and all four factors.
3D shows the results of FACS analysis of RUNX2 expression [negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with two miRNAs, hMSCs (c) transfected with two shRNAs, and hMSCs transfected with all four factors). (d)].
3E shows the results of confocal microscopy of RUNX2 [negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with two miRNAs, hMSCs (c) transfected with two shRNAs, and all four factors Magnified image of hMSCs (d), magnified image of negative control hMSCs (e) and hMSCs transfected with all four factors. The RUNX2 label is shown in green. Scale bar, 20 μm].
4 shows the results of transfection of RDtNPs complexed with pDNA containing two miRNAs, two shRNAs, and all four factors to inhibit RUNX2 expression in hMSCs.
4A shows RT- for 24, 48, and 72 hours of hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA comprising two miRNAs (a), two shRNAs (b), and all four factors (c). PCR and Western blot analysis results are shown.
4B shows 72 hour RT-PCR and Western blot analysis of hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA comprising two miRNAs, two shRNAs, and all four factors.
4C shows FACS analysis of RUNX2 expression [negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA), complex with pDNA comprising two miRNAs HMSCs (c) transfected with mutated RDtNPs, hMSCs (d) transfected with RDtNPs complexed with pDNA comprising two shRNAs, and hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA comprising all four factors ( e)].
4D shows the results of confocal microscopy analysis of RUNX2 [negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA), pDNA containing two miRNAs and HMSCs (c) transfected with complexed RDtNPs, hMSCs (d) transfected with RDtNPs complexed with pDNA comprising two shRNAs, and hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors (e). The RUNX2 label is shown in red. Scale bar, 20 μm].
5 shows that the expression of osteogenic factors is reduced in hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors.
5A is a schematic diagram showing how RUNX2 deletion promotes cartilage formation.
5B shows the results of RT-PCR and Western blot analysis of RUNX2 [negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with PEI NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA) and empty pDNA (MOCK pDNA) HMSCs (c) transfected with complexed PEI / DEX NPs, pDNA complexed with all four factors, hMSCs (d) transfected with RtNPs, and RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors HMSCs (e) transfected].
Figure 6 shows the results of cartilage formation of hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors in a 2D system.
6A is a schematic showing how transfection of RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors promotes cartilage formation of hMSCs in a 2D system.
6B shows the histological analysis results [ad: asian blue staining, eh: safranin-O staining. Negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA), hMSCs (c) transfected with RtNPs complexed with pDNA containing all four factors, And hMSCs (d) transfected with RDtNPs complexed with pDNA comprising all four factors].
6C shows GAG content analysis results [complexed with negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA), pDNA containing all four factors HMSCs (c) transfected with RtNPs, and hMSCs (d) transfected with RDtNPs complexed with pDNA comprising all four factors].
FIG. 6D shows the results of quantitative analysis of cartilage-associated gene SOX9 and osteogenic-related gene RUNX2 expression [hMSCs transfected with negative control hMSCs (a), PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA) ( b) hMSCs (c) transfected with RtNPs complexed with pDNA comprising all four factors, and hMSCs (d) transfected with RDtNPs complexed with pDNA comprising all four factors].
FIG. 6E shows the results of RT-PCR and Western blot analysis of osteogenic- and chondrogenic-related markers [hMSCs transfected with negative control hMSCs (a), PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA) ( b) hMSCs (c) transfected with RtNPs complexed with pDNA comprising all four factors, and hMSCs (d) transfected with RDtNPs complexed with pDNA comprising all four factors].
6F shows the results of confocal microscopy analysis of SOX9 and RUNX2 [negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA), all four factors). HMSCs (c) transfected with RtNPs complexed with pDNA, and hMSCs (d) transfected with RDtNPs complexed with pDNA comprising all four factors.
Figure 7 shows the results of analysis of cartilage formation of hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors in the 3D system.
FIG. 7A is a schematic showing how transfection of RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors promotes cartilage formation of hMSCs in a 3D system.
Figure 7B shows the results of RT-PCR analysis of cartilage-related markers [negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA), all four factors). HMSCs (c) transfected with RtNPs complexed with pDNA comprising; and hMSCs (d) transfected with RDtNPs complexed with pDNA comprising all four factors].
7C shows the results of real-time-qPCR analysis of cartilage-related marker genes [nMS control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA), four factors). HMSCs (c) transfected with RtNPs complexed with all-inclusive pDNA, and hMSCs (d) transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors].
7D shows GAG content analysis results [complexed with negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA), pDNA containing all four factors HMSCs (c) transfected with RtNPs, and hMSCs (d) transfected with RDtNPs complexed with pDNA comprising all four factors].
7E shows the histological analysis results [ad: Alcian blue staining, eh: safranin-O staining. Negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA), hMSCs (c) transfected with RtNPs complexed with pDNA containing all four factors, And hMSCs (d) transfected with RDtNPs complexed with pDNA comprising all four factors. Scale bar, 100 μιη].
8 shows the results of analyzing cartilage and bone formation of hMSCs cultured in a 3D system.
8A shows Western blot analysis of SOX9, COL II, and Agrican [negative control hMSCs (a), hMSCs (b), transfected with PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA), 4 HMSCs (c) transfected with RtNPs complexed with pDNA containing all four factors, and hMSCs (d) transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors].
FIG. 8B shows the results of quantitative analysis of cartilage-related marker proteins [negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transfected with PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA), all four factors). HMSCs (c) transfected with RtNPs complexed with the containing pDNA, and hMSCs (d) transfected with RDtNPs complexed with the pDNA comprising all four factors. * P <0.05, ** P <0.05].
8C shows the results of immunohistochemical analysis of SOX9, COL II, and COL I [negative control with PEI / DEX NPs complexed with negative control hMSCs (a, e, i, and m), empty pDNA (MOCK pDNA) Infected hMSCs (b, f, j, and n), pDNAs containing all four factors and transfected with RtNPs hMSCs (c, g, k, and o), and pDNAs containing all four factors HMSCs (d, h, 1, and p) transfected with RDtNPs complexed with. Panel r shows an enlarged image of panel p. ad: SOX9, eh: COL II, il: Agrican, and mp: merged images. Scale bar, 100 μιη].
9 shows the chemical structure of a PEI / DEX polymer.
FIG. 10 shows the results of the DLS analysis [PEI alone (a), pDNA complexed with pDNA containing all four factors, PEI (b), PEI / DEX NPs (c), and pDNA containing all four factors. Complexed PEI / DEX NPs (d)].
FIG. 11 shows the results of a gel retardation assay evaluating the binding of pDNA including miRNAs and shRNAs to PEI / DEX polymers.
11A shows the results of analyzing the complexation of pDNA containing miRNAs with PEI / DEX.
11B shows the results of analyzing the complexation of pDNA containing shRNAs with PEI / DEX.
Figure 12 is the result of measuring the cytotoxic effect of PEI NPs and PEI / DEX NPs of various contents by Live / Dead assay (Live / Dead assay).
13 shows the results of analyzing GFP expression in transfected hMSCs.
FIG. 13A shows the results of FACS analysis [negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transformed with PEI NPs complexed with GFP pDNA, and hMSCs transformed with PEI / DEX NPs complexed with GFP pDNA ( c)].
13B shows the results of confocal microscopy [negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transformed with PEI NPs complexed with GFP pDNA, and PEI / DEX NPs complexed with GFP pDNA. hMSCs (c)].
Figure 13C shows the results of Western blot analysis [negative control hMSCs (a), hMSCs (b) transformed with PEI NPs complexed with GFP pDNA, and hMSCs transformed with PEI / DEX NPs complexed with GFP pDNA. (c)].
14 is a schematic diagram of PEI / DEX NPs conjugated with pDNA containing miRUNX2 and shRUNX2 to induce cartilage formation of hMSCs. These NPs enter hMSCs through endocytosis, exit the endosomes into cell substrates, and stimulate cartilage formation of hMSCs.

본 명세서에서, "연골형성(chondrogenesis)" 및 "연골로의 분화/연골분화(chondrogenic differentiation)"는 별도로 표기하지 않는 한 서로 동일한 의미로 사용된다. 또한, "골형성(osteogenesis)" 및 "골로의 분화/골분화(osteogenic differentiation)"도 별도로 표기하지 않는 한 서로 동일한 의미로 사용된다. In the present specification, "chondrogenesis" and "chondrogenic differentiation to cartilage" are used in the same sense unless otherwise indicated. Also, "osteogenesis" and "osteogenic differentiation" are used in the same sense unless otherwise indicated.

또한, 용어 "마이크로 RNAs(microRNAs, miRNAs)"는 세포내에 존재하여 RNAi 현상을 유도하는 이중가닥 RNAs(double-stranded RNAs, dsRNAs)를 말한다. 용어 "RUNX2 유전자를 표적으로 miRNAs"는 RUNX2 유전자에 대하여 RNAi 현상을 유도하는 miRNAs를 말한다. 상기 RUNX2 유전자는 모두 진뱅크(Gene Bank) 등에 공지되어 있으며, 줄기세포의 골세포로의 분화에 있어서 중요한 역할을 하지만, 연골형성을 방지하는 것으로 알려져 있다.The term "microRNAs (miRNAs)" also refers to double-stranded RNAs (dsRNAs) that are present in cells and induce RNAi phenomena. The term “miRNAs targeting the RUNX2 gene” refers to miRNAs that induce RNAi phenomena for the RUNX2 gene. All of the RUNX2 genes are known in Gene Bank and the like, but play an important role in the differentiation of stem cells into bone cells, but are known to prevent cartilage formation.

또한, 용어 "짧은 헤어핀 RNAs(short hairpin RNAs, shRNAs)"는 인위적으로 세포내로 도입시켜 RNAi를 유도하는 dsRNAs로서, 플라스미드 혹은 벡터-기반의 시스템으로 세포내로 도입되어 세포내에서 siRNA을 제공하는 dsRNAs를 말한다. 상기 siRNA는 RNAi 현상을 유도하는 올리고 형태의 dsRNAs를 말한다. In addition, the term “short hairpin RNAs” (shRNAs) are dsRNAs that are artificially introduced into cells to induce RNAi, which are introduced into cells into plasmids or vector-based systems to provide siRNAs intracellularly. Say. The siRNA refers to oligomeric dsRNAs that induce RNAi phenomena.

본 발명은 RNA 간섭을 통한 줄기세포의 연골분화 유도를 위한 나노입자 전달체로서, RUNX2 유전자를 표적으로 하는 하나 이상의 마이크로 RNAs(miRNAs) 및 RUNX2 유전자를 표적으로 하는 하나 이상의 짧은 헤어핀 RNAs(shRNAs)를 포함하는 플라스미드 벡터를 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민과 복합체화시켜 얻어진 나노입자 전달체를 제공한다.The present invention provides a nanoparticle transporter for inducing cartilage differentiation of stem cells through RNA interference, including one or more microRNAs (miRNAs) targeting the RUNX2 gene and one or more short hairpin RNAs (shRNAs) targeting the RUNX2 gene. Provided is a nanoparticle carrier obtained by complexing a plasmid vector to a polyethyleneimine conjugated with dexamethasone.

본 발명의 나노입자 전달체는 분화 유도 벡터로서 특정 miRNAs 및 특정 shRNAs의 조합을 포함하는 플라스미드 벡터와 복합체화된 나노입자 형태의 전달체이다. 상기 나노입자 전달체의 형태는 통상 구형 즉, 나노스피어(nanosphere)이나, 특별히 제한되는 것은 아니다. 또한, 나노입자 전달체는 예를 들어, 10∼500 nm의 직경, 바람직하게는 80∼200 nm의 직경을 가질 수 있다.Nanoparticle transporters of the present invention are transporters in the form of nanoparticles complexed with plasmid vectors comprising a combination of specific miRNAs and specific shRNAs as differentiation induction vectors. The form of the nanoparticle carrier is usually spherical, that is, nanospheres, but is not particularly limited. In addition, the nanoparticle carriers may, for example, have a diameter of 10-500 nm, preferably 80-200 nm.

본 발명의 나노입자 전달체에 있어서, 상기 플라스미드 벡터는 서열번호 1 또는 2의 염기서열을 갖는 miRNAs를 포함할 수 있다. 또한, 상기 플라스미드 벡터는 서열번호 3 또는 4의 염기서열을 갖는 shRNAs를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 플라스미드 벡터는 서열번호 1 및 2의 miRNAs 및 서열번호 3 및 4의 shRNAs를 모두 포함한다. 즉, 일 구현예에서, 상기 플라스미드 벡터는 서열번호 1의 염기서열을 갖는 miRNAs, 서열번호 2의 염기서열을 갖는 miRNAs, 서열번호 3의 염기서열을 갖는 shRNAs, 및 서열번호 4의 염기서열을 갖는 shRNAs를 포함한다. 상기 플라스미드 벡터로서 사용될 수 있는 벡터는 유전공학 분야에서 통상적으로 사용되는 플라스미드를 사용할 수 있으며, 상기 miRNAs 및 shRNAs는 적절한 제한효소를 사용하여 통상의 방법에 따라 삽입(ligation)시킬 수 있다.In the nanoparticle transporter of the present invention, the plasmid vector may include miRNAs having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 or 2. In addition, the plasmid vector may include shRNAs having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 or 4. Preferably, the plasmid vector comprises both miRNAs of SEQ ID NOs: 1 and 2 and shRNAs of SEQ ID NOs: 3 and 4. That is, in one embodiment, the plasmid vector has miRNAs having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, miRNAs having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2, shRNAs having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3, and the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 4 Contains shRNAs. As a vector that can be used as the plasmid vector, a plasmid commonly used in the field of genetic engineering can be used, and the miRNAs and shRNAs can be inserted by conventional methods using an appropriate restriction enzyme.

상기 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민은 카보디이미드 반응을 통하여 제조할 수 있다. 예를 들어, 상기 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민은 N,N-디시클로헥실카르보디이미드 및 N-히드록시숙신이미드의 존재하에서, 덱사메타손을 폴리에틸렌이민과 반응시켜 얻어질 수 있다. 상기 반응은 디메틸 술폭사이드 등의 유기 용매 중에서 약 24시간 동안 실온에서 수행될 수 있다. 반응 완료 후, 필요에 따라 적절한 투석막(예를 들어, MWCO 1,000 Da)을 통하여 투석함으로써 미반응 물질 등을 제거할 수 있다. 얻어진 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민은 동결건조 등의 통상의 방법에 따라 건조될 수 있다. 바람직하게는 상기 폴리에틸렌이민은 아미노에틸 사슬(aminoethyl branch)을 갖는 사슬구조의 폴리에틸엔이민(branched polyethylenimine, bPEI)일 수 있다. 또한, 상기 사슬구조의 폴리에틸엔이민은 0.6∼30 kDa, 예를 들어 약 25 kDa의 중량평균분자량을 가질 수 있다.Polyethyleneimine conjugated with the dexamethasone may be prepared through a carbodiimide reaction. For example, the polyethyleneimine conjugated with dexamethasone can be obtained by reacting dexamethasone with polyethyleneimine in the presence of N, N-dicyclohexylcarbodiimide and N-hydroxysuccinimide. The reaction can be carried out at room temperature for about 24 hours in an organic solvent such as dimethyl sulfoxide. After the reaction is completed, unreacted substances and the like can be removed by dialysis through an appropriate dialysis membrane (eg, MWCO 1,000 Da) as necessary. The obtained dexamethasone conjugated polyethyleneimine can be dried according to a conventional method such as lyophilization. Preferably, the polyethyleneimine may be a branched polyethylenimine (bPEI) having a chain chain having an aminoethyl branch. In addition, the polyethylenimine of the chain structure may have a weight average molecular weight of 0.6 to 30 kDa, for example about 25 kDa.

상기 복합체화는 수성 매질(예를 들어, 증류수 등)에서 플라스미드 벡터를 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민을 반응시킴으로써, 음이온성의 pDNA와 양이온성의 중합체와의 정전기적 인력에 의해 자가 조립 나노입자(self-assembly nanoparticles)를 형성시킬 수 있다. 또한, 적절한 망목 크기(pore size)의 맴브레인 필터(예를 들어, 0.2 μm 멤브레인 필터)로 여과함으로써, 나노입자의 크기를 원하는 크기로 조절할 수 있다. 따라서, 일 구현예에서, 상기 복합체화는 (i) 수성 매질 중에서 상기 플라스미드 벡터를 상기 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민을 반응시키는 단계 및 (ii) 단계(i)에서 얻어진 반응 혼합물을 맴브레인 필터로 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 복합체화에 있어서, 상기 플라스미드 벡터는 상기 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민 1 μg에 대하여 0.75 ㎍ 이상의 비율로 반응시키는 것이 바람직하다.The complexation is achieved by reacting a plasmid vector in an aqueous medium (e.g., distilled water, etc.) with dexamethasone conjugated polyethylenimine, thereby self-assembling nanoparticles by electrostatic attraction between the anionic pDNA and the cationic polymer. assembly nanoparticles). In addition, by filtering with an appropriate pore size membrane filter (eg, 0.2 μm membrane filter), the size of the nanoparticles can be adjusted to the desired size. Thus, in one embodiment, the complexing comprises (i) reacting the plasmid vector in an aqueous medium with the polyethyleneimine conjugated with dexamethasone and (ii) filtering the reaction mixture obtained in step (i) with a membrane filter. It may include the step. In the complexing, the plasmid vector is preferably reacted at a rate of 0.75 μg or more with respect to 1 μg of the polyethyleneimine conjugated with dexamethasone.

본 발명에 따른 나노입자 전달체는 엔도사이토시스에 의해 효과적으로 줄기세포 내로 유입되고, 엔도좀을 빠져나와, 세포기질(cytosol)로 내재화되어 줄기세포의 분화를 유도할 수 있다. 이를 모식 다이어그램으로 나타내면 도 14와 같다. 따라서, 본 발명에 따른 나노입자 전달체는 RNA 간섭을 통한 줄기세포의 연골분화 유도를 위한 나노입자 전달 수송체로서 유용하게 사용될 수 있다. Nanoparticle transporter according to the present invention is effectively introduced into the stem cells by the endocytosis, exit the endosomes, can be internalized into the cell substrate (cytosol) to induce differentiation of stem cells. This is shown in FIG. 14 as a schematic diagram. Therefore, the nanoparticle transporter according to the present invention can be usefully used as a nanoparticle transporter for inducing cartilage differentiation of stem cells through RNA interference.

또한, 본 발명에 따른 나노입자 전달체는 줄기세포를 연골세포로 선택적으로 분화시키는데 유용하게 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 나노입자 전달체로 줄기세포를 형질감염시키는 것을 포함하는, 줄기세포의 연골세포로의 분화방법을 제공한다. 본 발명의 분화방법에 있어서, 상기 줄기세포는 인간 중간엽 줄기세포일 수 있다. 또한, 상기 형질감염은 상기 나노입자 전달체를 포함하는 무혈청 배지 중에서 상기 줄기세포를 배양함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 나노입자 전달체를 포함하는 무혈청 배지 중에서 줄기세포를 약 4시간 동안 배양하여 나노입자 전달체의 세포 내 유입을 유도함으로써 수행될 수 있다. 또한, 상기 배양으로부터 얻어진 세포 즉, 나노입자 전달체로 형질감염된 세포는 통상의 방법에 따라 2차원 또는 3차원 배양을 통하여 배양될 수 있다.In addition, the nanoparticle transporter according to the present invention can be usefully used to selectively differentiate stem cells into chondrocytes. Accordingly, the present invention provides a method for differentiating stem cells into chondrocytes, comprising transfecting stem cells with the nanoparticle transporter. In the differentiation method of the present invention, the stem cells may be human mesenchymal stem cells. In addition, the transfection may be performed by culturing the stem cells in a serum-free medium containing the nanoparticle transporter. For example, stem cells may be cultured in a serum-free medium containing the nanoparticle transporter for about 4 hours to induce the inflow of the nanoparticle transporter into the cells. In addition, cells obtained from the culture, that is, cells transfected with the nanoparticle transporter may be cultured through two-dimensional or three-dimensional culture according to a conventional method.

본 발명에 따른 나노입자 전달체는 또한 줄기세포와 함께 연골조직 재건 또는 재생을 위한 세포 치료제로서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 나노입자 전달체로 형질감염된 줄기세포를 포함하는 연골조직 재건 또는 재생용 약학 조성물, 즉 세포 치료제를 제공한다. 본 발명의 약학 조성물에 있어서, 상기 줄기세포는 인간 중간엽 줄기세포일 수 있다.Nanoparticle transporters according to the invention can also be used with stem cells as cell therapeutics for cartilage tissue reconstruction or regeneration. Accordingly, the present invention provides a pharmaceutical composition for reconstructing or regenerating cartilage tissue, that is, a cell therapeutic agent, comprising stem cells transfected with the nanoparticle transporter. In the pharmaceutical composition of the present invention, the stem cells may be human mesenchymal stem cells.

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

본 발명의 약학 조성물에 있어서, 상기 나노입자 전달체로 형질감염된 줄기세포의 투여량은 환자의 상태 및 체중, 질병의 정도, 투여형태, 투여경로 및 기간에 따라 상이하지만, 예를 들면, 상기 나노입자 전달체로 형질감염된 줄기세포는 단회 투여시 약 5 X 106 cells의 용량으로, 예를 들어 주사제 형태로, 투여될 수 있다. 상기 투여는 필요에 따라 하루에 한번 또는 수회 나누어 투여될 수도 있다. 또한, 본 발명의 약학 조성물의 단위 제제는 약 5 X 106 cells의 나노입자 전달체로 형질감염된 줄기세포를 함유할 수 있다.In the pharmaceutical composition of the present invention, the dosage of stem cells transfected with the nanoparticle transporter varies depending on the condition and body weight of the patient, the extent of the disease, the dosage form, the route of administration, and the duration, for example, the nanoparticles. Stem cells transfected with a carrier may be administered at a dose of about 5 × 10 6 cells, eg in the form of an injection, in a single dose. The administration may be administered once or several times a day as needed. In addition, the unit formulation of the pharmaceutical composition of the present invention may contain stem cells transfected with a nanoparticle transporter of about 5 X 10 6 cells.

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

1. 재료 및 시험방법1. Materials and test methods

(1) 재료(1) material

테트라메틸로다민(tetramethlyrhodamine, TRITC), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 및 덱사메타손(dexamethasone, DEX)는 시그마-알드리치(St Louis, MO, USA)에서 구입하였다. 양이온 중합체 사슬 폴리에틸렌이민(cationic polymer branched PEI, bPEI, 25 kDa)은 폴리사이언시스(Warrington, PA, USA)에서 구입하였다. 둘베코 포스페이트-완충 식염수(Dulbecco's phosphate-buffered saline, DPBS), 우태혈청(fetal bovine serum, FBS), 알파 최소 필수 배지(alpha minimum essential medium), 항생제, 및 트립신-EDTA는 써모 피셔 사이언티픽사(Thermo Fisher Scientific Incorporation)에서 구입하였다.Tetramethlyrhodamine (TRITC), dimethyl sulfoxide (DMSO), and dexamethasone (DEX) were purchased from Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA). Cationic polymer branched polyethylenimine (bPEI, 25 kDa) was purchased from Polysciences (Warrington, PA, USA). Dulbecco's phosphate-buffered saline (DPBS), fetal bovine serum (FBS), alpha minimum essential medium, antibiotics, and trypsin-EDTA are thermo Fisher Scientific Purchased from Thermo Fisher Scientific Incorporation.

(2) (2) miRUNX2miRUNX2  And shRUNX2의shRUNX2 제조 Produce

인간 게놈 DNA를 사용하여 얻어진 KpnI/NotI 제한 부위(restriction sites)를 포함하는 PCR 단편을 pTracer™-EF/V5-His A(Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)에 삽입(ligating)하여, miR-30a(miRBase accession number: Origene SC400322에서 제공된 M10000088-서열) 및 miR-30d(miRBase accession number: Origene SC400326에서 제공된 M10000255-서열)에 대한 과발현 벡터를 구축하였다. miR-30a에 대하여는 F: 5'-CGCGGTACCCACTTGCCTATTTACTTCTTGTGG-3' 및 R: 5'-CAGGCGGCCGCGGGAAATATTGCCCTACTACG-3'의 프라이머 세트를 사용하였으며, miR-30d에 대하여는 F: 5'-CATGGTACCATCCTCATGTAGGATATCAG-3' and R: 5'-CACGCGGCCGC ACTAAAATTTCATTGACAGG-3'의 프라이머 세트를 사용하였다. 밑줄로 표기한 서열은 제한 부위를 나타낸다.PCR fragments containing KpnI / NotI restriction sites obtained using human genomic DNA were ligated into pTracer ™ -EF / V5-His A (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) to miR-30a Overexpression vectors were constructed for (miRBase accession number: M10000088-SEQ ID NO. provided by Origene SC400322) and miR-30d (miRBase accession number: M10000255-SEQ ID NO. provided by Origene SC400326). For miR-30a, primer sets of F: 5'-CGC GGTACC CACTTGCCTATTTACTTCTTGTGG-3 'and R: 5'-CAG GCGGCCGC GGGAAATATTGCCCTACTACG-3' were used, and for miR-30d, F: 5'-CAT GGTACC ATCCTCATGTAGGATATCAG-3 A primer set of 'and R: 5'-CAC GCGGCCGC ACTAAAATTTCATTGACAGG-3' was used. Underlined sequences indicate restriction sites.

RUNX2의 사일런싱(silencing)을 위한 두개의 표적 서열은 Gene Link shRNA Design Guidelines 웹사이트(http://www.genelink.com/sirna/shrnai.asp)를 사용하여 얻었다. 즉, 5'-GATCCGCACGCTATTAAATCCAAA GAAGCTTG TTTGGATTTAATAGCGTGCTTTTTTGGAAGC-3' 및 5'- GGCCGCTTCCAAAAAAGCACGCTATTAAATCCAAA CAAGCTTC TTTGGATTTAATAGCGTGCG-3'를 접합(annealing)하여 RUNX2 shRNA 1을 생성시키고, 5'- GATCCGGTTCAACGATCTGAGATT GAAGCTTG AATCTCAGATCGTTGAACCTTTTTTGGAAGC-3' 및 5'-GGCCGCTTCCAAAAAAGGTTCAACGATCTGAGATT CAAGCTTC AATCTCAGATCGTTGAACCG-3'를 접합(annealing)하여 RUNX2 shRNA 2를 생성시킴으로써, 두개의 이중-가닥 올리고뉴클레오티드를 얻었다. RUNX2 센스 및 안티센스 서열은 밑줄로 표기하였고, HindIII 제한 부위를 갖는 헤어핀 루프 구조는 이탤릭체로 표기하였다. 얻어진 이중-가닥 올리고뉴클레오티드를 BamHI 및 NotI로 절단한(digested) pGSH1-GFP shRNA 벡터(Genlantis, San Diego, CA, USA)에 삽입하였다. 분화유도를 위해, GFP 서열을 제거하고, UNX2 shRNA 1/2을 상기 pGSH1 벡터에 삽입하였다. 모든 구조체는 서열 분석에 의해 확인하였다.Two target sequences for silencing of RUNX2 were obtained using the Gene Link shRNA Design Guidelines website (http://www.genelink.com/sirna/shrnai.asp). I.e., 5'-GATCC GCACGCTATTAAATCCAAA GAAGCTTG TTTGGATTTAATAGCGTGC TTTTTTGGAAGC -3 ' and 5'- GGCCGCTTCCAAAAAA GCACGCTATTAAATCCAAA CAAGCTTC TTTGGATTTAATAGCGTGC G-3 ' joined to (annealing) the to produce a RUNX2 shRNA 1, 5'- GATCC GGTTCAACGATCTGAGATT GAAGCTTG AATCTCAGATCGTTGAACC TTTTTTGGAAGC-3 ' and Two double-stranded oligonucleotides were obtained by annealing the 5′-GGCCGCTTCCAAAAAA GGTTCAACGATCTGAGATT CAAGCTTC AATCTCAGATCGTTGAACC G-3 ′ to generate RUNX2 shRNA 2. RUNX2 sense and antisense sequences are underlined and hairpin loop structures with HindIII restriction sites are italicized. The resulting double-stranded oligonucleotide was inserted into a pGSH1-GFP shRNA vector (Genlantis, San Diego, CA, USA) digested with BamHI and NotI. For differentiation induction, GFP sequences were removed and UNX2 shRNA 1/2 was inserted into the pGSH1 vector. All constructs were confirmed by sequencing.

(3) RNA-기반 (3) RNA-based NPs의NPs 제조 Produce

(3-1) (3-1) TRITCTRITC -표지된 -Labeled bPEI을bPEI 함유하는 중합체의 제조 Preparation of containing polymer

bPEI(500 mg) 및 TRITC(1 mg)를 DMSO 5 mL에 용해시킨 다음, 얻어진 용액을 암소에서 2일 동안 투석하였다(MWCO 1,000 Da). 이후, 샘플을 3일 동안 동결건조하였다.bPEI (500 mg) and TRITC (1 mg) were dissolved in 5 mL of DMSO, and the resulting solution was dialyzed in the dark for 2 days (MWCO 1,000 Da). The sample was then lyophilized for 3 days.

(3-2) (3-2) DEXDEX -- 컨쥬게이션된Conjugated TRITCTRITC -표지된 -Labeled bPEI을bPEI 함유하는 중합체의 제조 Preparation of containing polymer

DEX-컨쥬게이션된 TRITC-표지된 PEI(TRITC-DEX-PEI)를 종래의 카보디이미드 반응을 통하여 합성하였다. PEI(250 mg, 10 μmol)를 DMSO 10 mL에 가하고 완전히 용해될 때까지 교반하였다. 이후, DMSO 5 mL에서 제조된 DEX(25 mg, 50.76 μmol), N,N-디시클로헥실카르보디이미드(N,N-dicyclohexylcarbodiimide, DCC)(16 mg, 77.55 μmol), 및 N-히드록시숙신이미드(N-Hydroxysuccinimide, NHS)(16 mg, 139.02 μmol)를 상기 PEI 용액에 가하고, 24시간 동안 실온에서 반응시켰다. 이후, DMSO(3 mL)에 용해시킨 TRITC(1 mg)을 상기 용액에 실온에서 12시간 동안 적가하였다. 최종 용액은 증류수에 대하여 3일 동안 투석막(MWCO 1,000 Da)을 사용하여 투석하였다. 최종 생성물은 동결건조에 의해 얻었다.DEX-conjugated TRITC-labeled PEI (TRITC-DEX-PEI) was synthesized via conventional carbodiimide reactions. PEI (250 mg, 10 μmol) was added to 10 mL of DMSO and stirred until complete dissolution. Then, DEX (25 mg, 50.76 μmol), N, N-dicyclohexylcarbodiimide (DCC) (16 mg, 77.55 μmol), and N-hydroxysuccin prepared in 5 mL of DMSO Imide (N-Hydroxysuccinimide, NHS) (16 mg, 139.02 μmol) was added to the PEI solution and reacted at room temperature for 24 hours. Thereafter, TRITC (1 mg) dissolved in DMSO (3 mL) was added dropwise to the solution at room temperature for 12 hours. The final solution was dialyzed against distilled water using a dialysis membrane (MWCO 1,000 Da) for 3 days. The final product was obtained by lyophilization.

(3-3) RNA-기반 (3-3) RNA-based NPs의NPs 제조 Produce

(3-1)에서 제조한 TRITC-표지된 bPEI을 함유하는 중합체를 증류수에 용해시키고, (2)에서 제조한 miRUNX2 및 shRUNX2 벡터를 각각 첨가하여 15분 동안 반응시켰다. 상기 반응에 의해 음이온성의 pDNA와 양이온성의 중합체와의 정전기적 인력에 의해 자가 조립 나노입자(self-assembly nanoparticles)를 형성시켰다. 반응 혼합물을 0.2 μm 멤브레인 필터로 여과하여, TRITC-표지된 bPEI을 함유하는 RNA-기반 NPs(RtNPs)를 제조하였다.The polymer containing TRITC-labeled bPEI prepared in (3-1) was dissolved in distilled water and reacted for 15 minutes by adding the miRUNX2 and shRUNX2 vectors prepared in (2), respectively. By this reaction, self-assembly nanoparticles were formed by electrostatic attraction between anionic pDNA and cationic polymer. The reaction mixture was filtered with a 0.2 μm membrane filter to prepare RNA-based NPs (RtNPs) containing TRITC-labeled bPEI.

또한, (3-1)에서 제조한 TRITC-표지된 bPEI을 함유하는 중합체 대신 (3-2)에서 제조한 DEX-컨쥬게이션된 TRITC-표지된 bPEI을 함유하는 중합체를 사용하여 상기와 동일한 방법으로 각각 증류수에 용해시키고, DEX-컨쥬게이션된 TRITC-표지된 bPEI을 함유하는 RNA-기반 NPs(RDtNPs)를 제조하였다.Also, in the same manner as above, using a polymer containing DEX-conjugated TRITC-labeled bPEI prepared in (3-2) instead of a polymer containing TRITC-labeled bPEI prepared in (3-1). RNA-based NPs (RDtNPs) were prepared, each dissolved in distilled water and containing DEX-conjugated TRITC-labeled bPEI.

(4) (4) NPs의NPs 특성분석 Characterization

NPs의 크기 및 형태는 주사전자현미경(SEM) 및 Zeta Sizer Nano ZS 장치(Malvern, Southborough, MA, USA)를 사용하여 분석하였다. 다양한 종류의 NPs에 대하여 누적 분석(cumulative analysis)을 수행하였다. NPs의 크기 분석은 각각 20회 수행하였다. 겔지연 분석(gel retardation assay)을 수행하여 NPs과 RNA의 최적 비율을 결정하였다.The size and shape of the NPs were analyzed using a scanning electron microscope (SEM) and a Zeta Sizer Nano ZS instrument (Malvern, Southborough, MA, USA). Cumulative analysis was performed on various types of NPs. Size analysis of NPs was performed 20 times each. Gel retardation assay was performed to determine the optimal ratio of NPs and RNA.

(5) 세포 배양(5) cell culture

골수-유래 hMSCs(PT-2501; Lonza, Walkersville, MD, USA)를 고관절 치환 수술 과정에서 얻어진 22세 남성의 근위 대퇴부(proximal femur) 샘플로부터 얻었다. 환자는 설명후 동의(informed consent)를 제공하였으며, 윤리위원회(Ethical Committee)는 연구를 위한 샘플의 사용을 승인하였다. hMSCs는 10% FBS 및 1% 항생물질(antibiotics-antimycotics, AA)을 함유하는 알파 최소 필수 배지에서 배양하였다.Bone marrow-derived hMSCs (PT-2501; Lonza, Walkersville, MD, USA) were obtained from proximal femur samples of 22 year old men obtained during hip replacement surgery. The patient provided informed consent, and the Ethical Committee approved the use of the sample for the study. hMSCs were cultured in alpha minimal essential medium containing 10% FBS and 1% antibiotics (antibiotics-antimycotics, AA).

(6) (6) NPs의NPs 세포 유입(cellular uptake) Cellular uptake

6-웰 플레이트 내의 세포 단일층(cell monolayers)(웰 당 1.5 X 105 세포)을 무혈청 배지에서 전배양하고, 2.5 μg의 RtNPs 및 RDtNPs로 4시간 동안 처리하고, 둘베코 인산염 완충 식염수(Dulbecco phosphate buffered saline, DPBS)로 세척한 다음, 형광-활성화 세포 분류(FACS; Becton Dickinson, San Jose, CA, USA)로 분석하였다. 세포막 및 엔도좀(endosomes)은 표준 프로토콜을 사용하여 염색하였다.Cell monolayers (1.5 × 10 5 cells per well) in 6-well plates were preincubated in serum-free medium, treated with 2.5 μg of RtNPs and RDtNPs for 4 hours, and Dulbecco's phosphate buffered saline (Dulbecco washed with phosphate buffered saline (DPBS) and analyzed by fluorescence-activated cell sorting (FACS; Becton Dickinson, San Jose, Calif., USA). Cell membranes and endosomes were stained using standard protocols.

(7) 일시적 형질감염(Transient (7) transient transfection transfectiontransfection ))

혈청-함유 배지를 무혈청 배지로 교환하였다. hMSCs를 RDtNPs로 4시간 동안 형질감염시킨 후, FACS(Guava Technologies, Hayward, CA, USA), 웨스턴 블롯팅, 및 형광 공초점 현미경(LSM 880 META, Zeiss)으로 분석하였다.Serum-containing medium was exchanged with serum free medium. hMSCs were transfected with RDtNPs for 4 hours and analyzed by FACS (Guava Technologies, Hayward, CA, USA), Western blotting, and fluorescence confocal microscopy (LSM 880 META, Zeiss).

(8) 3차원(3D) 세포 배양(8) 3D cell culture

형질감염된 hMSCs를 15 mL 코니컬 튜브에서 1,300 rpm으로 3분 동안 원심분리하였다. 세포 펠렛을 10% FBS 및 1% AA를 함유하는 배지에서 2주 동안 배양한 다음, 무혈청 배지에서 추가로 1주 동안 배양하였다. 배양 배지는 2-3일마다 교환하였다.Transfected hMSCs were centrifuged for 3 minutes at 1,300 rpm in a 15 mL conical tube. Cell pellets were incubated for two weeks in medium containing 10% FBS and 1% AA, followed by an additional week in serum-free medium. Culture medium was changed every 2-3 days.

(9) (9) mRNAmRNA 및 단백질 분석 And protein analysis

3차원(3D) 시스템에서 3주간 배양한 후, mRNA를 TRIzol(Invitrogen)을 사용하여 추출하고, 방사선면역침강 완충액(radioimmunoprecipitation buffer)을 사용하여 단백질을 추출하였다. mRNA 및 단백질을 RT-PCR/정량적 PCR(qPCR) 및 웨스턴 블롯팅으로 각각 분석하였다.After incubation for 3 weeks in a three-dimensional (3D) system, mRNA was extracted using TRIzol (Invitrogen), and the protein was extracted using a radioimmunoprecipitation buffer (radioimmunoprecipitation buffer). mRNA and protein were analyzed by RT-PCR / quantitative PCR (qPCR) and Western blotting, respectively.

(10) 10 글라이코스아미노글리칸Glycosaminoglycans (( GlycosaminoglycanGlycosaminoglycan , GAG) 분석, GAG) analysis

총 글라이코스아미노글리칸(glycosaminoglycan, GAG)을 표준 프로토콜에 따라 추출하였다. 용해물(Lysates)을 파파인 완충액(300 μL)에서 제조하고, GAG 분석 키트(Blyscan, UK)를 사용하여 GAG을 검출하였다.Total glycosaminoglycan (GAG) was extracted according to standard protocols. Lysates were prepared in papain buffer (300 μL) and GAG was detected using the GAG Assay Kit (Blyscan, UK).

(11) 조직학 분석 및 (11) histological analysis and 면역형광Immunofluorescence 분석 analysis

2차원(2D) 또는 3차원(3D) 시스템에서 3주 동안 배양된 세포를 DPBS로 세척하고, DPBS 중의 1% 파라포름알데히드(PFA)로 1시간 동안 4℃에서 또는 DPBS 중의 4% PFA로 15분 동안 4℃에서 각각 고정하였다. 이후, 3D 시스템에서 배양된 샘플을 최적 절단 온도 물질(optimum cutting temperature material)(TISSUE-TEK 4583; Sakura Finetek USA)에 끼워넣고(embeded), -20℃에서 1시간 동안 냉동시킨 후, 8-10 μm-두께의 조각으로 잘랐다.Cells cultured for 3 weeks in a two-dimensional (2D) or three-dimensional (3D) system are washed with DPBS, 15% at 4 ° C. for 1 hour with 1% paraformaldehyde (PFA) in DPBS or with 4% PFA in DPBS. Fixed at 4 ° C. each for minutes. The samples incubated in the 3D system were then embedded in an optimal cutting temperature material (TISSUE-TEK 4583; Sakura Finetek USA), frozen at -20 ° C for 1 hour, and then 8-10 Cut into μm-thick pieces.

샘플을 헤마톡실린 및 에오신(hematoxylin and eosin), 알시안 블루(Alcian blue), 및 사프라닌-O(Safranin-O)로 표준 프로토콜에 따라 염색하였다. 고정시킨 샘플을 물로 2회 세척하고, 0.1% 트리톤 X-100에서 5분 동안 블록킹하고, 0.1% 우 혈청 알부민(bovine serum albumin, BSA)을 함유하는 PBS로 2회 세척하였다. 이후, 샘플을 1차 항체와 함께 실온에서 2시간 동안 인큐베이션하고, 0.1% BSA을 함유하는 PBS로 세척하고, 형광 2차 항체와 함께 45분 동안 인큐베이션하였다. 최종적으로 샘플을 세척하고, DAPI로 5분 동안 염색하고, 공초점 현미경에 올렸다.Samples were stained with hematoxylin and eosin, Alcian blue, and safranin-O according to standard protocols. The immobilized sample was washed twice with water, blocked for 5 minutes in 0.1% Triton X-100, and washed twice with PBS containing 0.1% bovine serum albumin (BSA). Samples were then incubated with the primary antibody for 2 hours at room temperature, washed with PBS containing 0.1% BSA and incubated with fluorescent secondary antibody for 45 minutes. Finally the samples were washed, stained with DAPI for 5 minutes and placed on confocal microscope.

(12) 통계 분석(12) statistical analysis

통계분석은 스튜던트 t-테스트(Student's t-test)를 사용하여 수행하였다. *P < 0.05 및 **P < 0.01 을 통계적으로 유의성있는 것으로 간주하였다.Statistical analysis was performed using Student's t-test. * P <0.05 and ** P <0.01 were considered statistically significant.

2. 결과 및 고찰2. Results and Discussion

miRUNX2 및 shRUNX2를 포함하는 pDNA를 PEI/DEX 중합체와 복합체화되었다(도 1). 30 bases를 함유하는 두개의 miRNAs[miRNA30a(서열번호 1) 및 miRNA30d(서열번호 2) 및 두개의 shRNAs(서열번호 3 및 서열번호 4)를 제작하여, hMSCs의 골분화를 촉진하는 RUNX2의 발현을 억제시켰다(도 1A).pDNA comprising miRUNX2 and shRUNX2 were complexed with PEI / DEX polymer (FIG. 1). Two miRNAs containing 30 bases [miRNA30a (SEQ ID NO: 1) and miRNA30d (SEQ ID NO: 2) and two shRNAs (SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4) were constructed to express the expression of RUNX2 that promotes bone differentiation of hMSCs. Inhibition (FIG. 1A).

TRITC로 표지된 PEI-컨쥬게이션된 DEX 및 TRITC로 표지되지 않은 PEI-컨쥬게이션된 DEX의 화학 구조를 도 9에 나타내었다. PEI는 25 KDa의 분자량을 갖는다. PEI/DEX 중합체는 TRITC와 컨쥬게이션되어 세포 트랙킹(cell tracking) 및 바이오이미지화 실험(bioimaging experiments)에서 이의 시각화를 가능하게 한다.The chemical structures of PEI-conjugated DEX labeled TRITC and PEI-conjugated DEX not labeled TRITC are shown in FIG. 9. PEI has a molecular weight of 25 KDa. PEI / DEX polymers are conjugated with TRITC to enable their visualization in cell tracking and bioimaging experiments.

제작된 pDNA 및 PEI/DEX 중합체는 나노구-형태의 NPs를 형성하였다. 이들 NPs를 동적 광 산란(dynamic light scattering, DLS)으로 특성분석하였다(도 10). NPs의 크기는 pDNA와의 복합체화에 따라 증가하였다. PEI는 PEI/DEX 중합체보다 훨씬 크며, 이는 PEI/DEX 중합체가 PEI에 비하여 더욱 견고하게 응집(aggregated)되어 있기 때문이다.The manufactured pDNA and PEI / DEX polymers formed nanosphere-shaped NPs. These NPs were characterized by dynamic light scattering (DLS) (FIG. 10). The size of NPs increased with complexation with pDNA. PEI is much larger than PEI / DEX polymers because PEI / DEX polymers are more tightly aggregated than PEI.

miRUNX2 및 shRUNX2를 포함하는 pDNA는 PEI/DEX 중합체와 복합체화되었다(도 1B). DLS 분석은 이들 NPs가 115.9 nm의 직경을 가짐을 보여주며(도 1B, a), SEM은 이들이 나노구(nanosphere)와 유사한 형태를 가지며, 약 110 nm의 직경을 가짐을 보여준다(도 1B, b). 이들 결과는 NPs의 크기 및 형태가 유전자를 세포내로 쉽게 전달할 수 있다는 것을 나타낸다.pDNAs containing miRUNX2 and shRUNX2 were complexed with PEI / DEX polymers (FIG. 1B). DLS analysis shows that these NPs have a diameter of 115.9 nm (FIGS. 1B, a), and SEM shows that they have a morphology similar to nanospheres and have a diameter of about 110 nm (FIGS. 1B, b). ). These results indicate that the size and shape of NPs can easily transfer genes into cells.

miRUNX2 및 shRUNX2를 포함하는 pDNA와 복합체화되거나 혹은 복합체화되지 아니한 PEI/DEX 중합체의 표면 전하를 분석하였다(도 1C). miRUNX2 및 shRUNX2를 포함하는 pDNA는 음으로(negatively) 하전되어 있으나(도 1C, a), 이러한 pDNA와 복합체화된 PEI/DEX 중합체는 양으로(positively) 하전되었다(도 1C, b-e). 이는 음전하를 갖는 RNAs가 복합체화되어 PEI/DEX 중합체와의 복합체화에 의해 이들의 전하가 차폐되었음(shielded)을 나타낸다.Surface charges of PEI / DEX polymers with or without complexes with pDNA including miRUNX2 and shRUNX2 were analyzed (FIG. 1C). pDNAs comprising miRUNX2 and shRUNX2 were negatively charged (FIG. 1C, a), while PEI / DEX polymers complexed with these pDNAs were positively charged (FIG. 1C, b-e). This indicates that negatively charged RNAs are complexed and their charges are shielded by complexing with PEI / DEX polymers.

pDNA와 PEI/DEX 중합체 사이에서 강력한 복합체화가 관찰되었다(도 1D). 복합체화의 수준은 NPs의 농도가 증가함에 따라 증가하였다. 이는 양이온성의 PEI/DEX 중합체가 음이온성의 miRUNX2 및 shRUNX2를 포함하는 pDNA와 이온성 상호작용(ionic interactions)을 통하여 복합체화될 수 있음을 나타낸다.Strong complexation was observed between pDNA and PEI / DEX polymers (FIG. 1D). The level of complexation increased with increasing concentrations of NPs. This indicates that cationic PEI / DEX polymers can be complexed through ionic interactions with pDNAs including anionic miRUNX2 and shRUNX2.

NPs는 miRUNX2 및 shRUNX2를 포함하는 pDNA의 농도 증가와 함께 복합체화되었다(도 11). 복합체화는 0.75 μg의 pDNA를 사용하였을 때 처음으로 관찰되었다.NPs were complexed with increasing concentrations of pDNA including miRUNX2 and shRUNX2 (FIG. 11). Complexation was first observed when 0.75 μg of pDNA was used.

PEI 및 PEI/DEX로 구성된 NPs의 세포 유입을 측정하였다(도 2A). NPs는 30분 후에 hMSCs로 유입되었다(도 2A, a 및 b). 이들 NPs가 내재화된 세포의 백분율은 1시간 후에는 달랐으나, 2시간 후에는 다르지 않았다. 이는 NPs가 쉽게 내재화될 수 있다는 것을 나타낸다. 4시간 후, 90% 이상의 hMSCs에 NPs가 내재화되었다.Cell influx of NPs consisting of PEI and PEI / DEX was measured (FIG. 2A). NPs entered hMSCs after 30 minutes (Figures 2A, a and b). The percentage of cells in which these NPs were internalized differed after 1 hour, but did not differ after 2 hours. This indicates that NPs can be easily internalized. After 4 hours, NPs were internalized in more than 90% of hMSCs.

세포독성 효과를 측정하기 위하여, 살아있는 세포 및 죽은 세포를 세포-계수 Kit-8(Cell-Counting Kit-8)을 사용하여 표지하고 Live/Dead 분석(Live/Dead assay)을 수행하였다(도 12). 이들 분석은 어떠한 종류의 NP도 세포 사멸을 야기하지 않았음을 나타낸다.To measure the cytotoxic effect, live and dead cells were labeled using Cell-Counting Kit-8 and subjected to Live / Dead assay (FIG. 12). . These assays indicate that no type of NP caused cell death.

PEI 또는 PEI/DEX로 구성된 NPs로 hMSCs를 처리한 후 형광 광도를 측정하였다(도 2B). 형광은 대조군인 비처리된 hMSCs에서는 관찰되지 않았다(도 2B, a). 그러나, PEI NPs 또는 PEI/DEX NPs로 처리된 hMSCs는 형광을 나타내었으며, 형광 강도는 PEI NPs에 비하여 PEI/DEX NPs에서 더 높았다(도 2B, b 및 c). Fluorescence luminescence was measured after treatment of hMSCs with NPs composed of PEI or PEI / DEX (FIG. 2B). Fluorescence was not observed in control untreated hMSCs (FIG. 2B, a). However, hMSCs treated with PEI NPs or PEI / DEX NPs showed fluorescence, and fluorescence intensity was higher in PEI / DEX NPs compared to PEI NPs (FIGS. 2B, b and c).

PEI 또는 PEI/DEX로 구성된 NPs로 처리된 hMSCs를 형광 현미경으로 이미지화하였다. 이들 NPs 모두 엔도사이토시스(endocytosis)에 의해 세포기질(cytosol)로 쉽게 전달되었다(도 2C 및 D). 막 염색은 이들의 내재화를 확인시켜 주었다(도 2C, b 및 c). 이들 NPs 모두 초기 엔도좀(early endosomes)에 들어가거나 초기 엔도좀으로부터 방출되었다(도 2D, b 및 c). HMSCs treated with NPs composed of PEI or PEI / DEX were imaged by fluorescence microscopy. All of these NPs were easily delivered to the cytosol by endocytosis (FIGS. 2C and D). Membrane staining confirmed their internalization (FIGS. 2C, b and c). All of these NPs entered early endosomes or were released from early endosomes (FIG. 2D, b and c).

이들 NPs를 사용한 GFP pDNA의 형질감염을 조사하였다(도 13). FACS 분석은 GFP pDNA와 복합체화된 PEI NPs 및 PEI/DEX가 hMSCs에 유입되었으며(도 13A), 이후 34% 및 36%의 세포가 각각 형광을 나타내었음을 보여주었다(도 13A, b 및 c). 또한, 공초점 레이저 현미경 및 웨스턴 블롯 분석은 이들 NPs를 사용한 GFP pDNA의 형질감염에 따라 hMSCs가 GFP를 발현하였음을 나타내었다(도 13B 및 C).Transfection of GFP pDNA using these NPs was investigated (FIG. 13). FACS analysis showed that PEI NPs and PEI / DEX complexed with GFP pDNA were introduced into hMSCs (FIG. 13A), and then 34% and 36% of the cells fluoresced (FIG. 13A, b and c), respectively. . Confocal laser microscopy and Western blot analysis also showed that hMSCs expressed GFP following transfection of GFP pDNA with these NPs (FIGS. 13B and C).

본 발명자들은 RUNX2를 표적으로 하는 두개의 miRNAs (서열번호 1 및 2) 및 두 개의 shRNAs(서열번호 3 및 4)을 디자인하였다(도 3A). 이들 RNAs를 포함하는 pDNA로 hMSCs를 형질감염시킨 후, RUNX2의 mRNA 및 단백질 발현을 RT-PCR 및 웨스턴 블롯팅으로 각각 측정하였다(도 3B 및 C). RUNX2의 mRNA 및 단백질 수준은 각각의 miRNA 및 shRNA의 형질감염 후 24시간 후에 감소되었다(도 3B). 이는 제작된 RNAs가 hMSCs에서 RUNX2 발현을 억제하였음을 나타낸다. 또한, RUNX2의 mRNA 및 단백질 발현은 두개의 miRNAs 또는 두개의 shRNAs로 처리하였을 때 더욱 감소되었으며, 4개의 인자 모두를 동시에 처리하였을 때 가장 많이 감소되었다(도 3C).We designed two miRNAs (SEQ ID NOs: 1 and 2) and two shRNAs (SEQ ID NOs: 3 and 4) targeting RUNX2 (Figure 3A). After transfecting hMSCs with pDNA containing these RNAs, mRNA and protein expression of RUNX2 were measured by RT-PCR and Western blotting, respectively (FIGS. 3B and C). MRNA and protein levels of RUNX2 were reduced 24 hours after transfection of each miRNA and shRNA (FIG. 3B). This indicates that the prepared RNAs inhibited RUNX2 expression in hMSCs. In addition, mRNA and protein expression of RUNX2 was further reduced when treated with two miRNAs or two shRNAs, and was most decreased when all four factors were treated simultaneously (FIG. 3C).

본 발명자들은 FACS 및 공초점 레이저 현미경 분석을 수행하였다(도 3D 및 E). FACS 분석에서, 73.47%의 콘트롤 hMSCs가 RUNX2를 발현하였으며, 두개의 miRNAs, 두개의 siRNAs, 및 4개의 인자 모두로 형질감염된 hMSCs에 대하여는 RUNX2 발현이 각각 54.30%, 60.32%, 및 42.7%로 감소되었다(도 3D, b-d). 이러한 결과는 이들 RNAs가 hMSCs에서 RUNX2의 발현을 감소시킴을 나타낸다. 또한, RUNX2 발현은 4개의 인자 모두의 동시 전달에 의해 가장 많이 감소되었다. 공초점 현미경 분석에서, RUNX2 표지(녹색으로 나타냄)는 두개의 miRNAs, 두개의 siRNAs, 및 4개의 인자 모두로 hMSCs를 처리함에 따라 점차 사라졌다(도 3E, b-d). RUNX2 발현은 4개의 인자 모두로 처리된 hMSCs에서 가장 많이 감소되었고; 이들 세포의 핵에서는 RUNX2가 검출되지 않았다(도 3E, f). 그러나, 대조군 hMSCs의 핵 및 세포기질에서는 RUNX2가 검출되었다(도 3E, e). 이러한 결과는 shRUNX2 및 miRUNX2가 각각 hMSCs에서 RUNX2의 핵 및 세포기질 수준을 감소시켰음을 나타낸다.We performed FACS and confocal laser microscopy analysis (FIGS. 3D and E). In FACS analysis, 73.47% of control hMSCs expressed RUNX2, and RUNX2 expression was reduced to 54.30%, 60.32%, and 42.7% for two miRNAs, two siRNAs, and hMSCs transfected with all four factors, respectively. (Figure 3D, bd). These results indicate that these RNAs reduce the expression of RUNX2 in hMSCs. In addition, RUNX2 expression was most reduced by simultaneous delivery of all four factors. In confocal microscopy analysis, the RUNX2 label (shown in green) gradually disappeared upon treatment of hMSCs with two miRNAs, two siRNAs, and all four factors (Figure 3E, b-d). RUNX2 expression was most decreased in hMSCs treated with all four factors; RUNX2 was not detected in the nuclei of these cells (Fig. 3E, f). However, RUNX2 was detected in the nucleus and cell substrate of control hMSCs (Fig. 3E, e). These results indicate that shRUNX2 and miRUNX2 decreased the nuclear and cellular substrate levels of RUNX2 in hMSCs, respectively.

miRUNX2 및/또는 shRUNX2를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs의 형질감염 후 72시간까지 동안 hMSCs를 RT-PCR, 웨스턴 블롯팅, FACS, 및 공초점 레이저 현미경을 통하여 분석하였다(도 4). RUNX2 발현은 두개의 miRNAs, 두 개의 siRNAs, 및 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs의 형질감염에 의해 감소되었으나, 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs의 형질감염에 의해서는 그렇지 않았다. RUNX2의 유전자 및 단백질 발현의 감소는 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs의 형질감염 후에 가장 오래동안 유지되었다(도 4A, c). RUNX2의 유전자 및 단백질 발현은 두개의 miRNAs를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서 48시간까지 동안 감소되었으며, 이후 증가하였다(도 4A, a). 대조적으로, 두 개의 shRNAs를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서는 RUNX2 발현이 나중에서만 감소되었다(도 4A, b). 이러한 결과는 miRUNX2는 형질감염 직후 RUNX2 발현을 감소시키며, shRUNX2는 이러한 효과를 나중 시점에서 유지시킨다는 것을 나타낸다. 따라서, 4개의 인자 모두의 형질감염은 RUNX2 발현의 신속하고 또한 지속적인 억제를 위해 적합하다. FACS 및 공초점 현미경 분석은 또한 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs의 형질감염이 hMSCs에서 RUNX2의 발현을 감소시켰음을 나타낸다(도 4C 및 D).hMSCs were analyzed via RT-PCR, Western blotting, FACS, and confocal laser microscopy for up to 72 hours after transfection of RDtNPs complexed with pRUNA and miRUNX2 and / or shRUNX2 (FIG. 4). RUNX2 expression was reduced by transfection of RDtNPs complexed with pDNA containing two miRNAs, two siRNAs, and all four factors, but transfection of PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA) Not by. Reduction of gene and protein expression of RUNX2 was maintained for the longest after transfection of RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors (Figure 4A, c). Gene and protein expression of RUNX2 was reduced for up to 48 hours in hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing two miRNAs (Figure 4A, a). In contrast, hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing two shRNAs reduced RUNX2 expression only later (Figure 4A, b). These results indicate that miRUNX2 reduces RUNX2 expression immediately after transfection and shRUNX2 maintains this effect at later time points. Thus, transfection of all four factors is suitable for rapid and sustained inhibition of RUNX2 expression. FACS and confocal microscopic analysis also showed that transfection of RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors reduced expression of RUNX2 in hMSCs (FIGS. 4C and D).

골형성 과정에서, RUNX2는 오스테릭스(osterix, OSX), β-카테닌(β-catenin), 및 Dlx-5의 발현을 유도한다(도 5A, a). 대조적으로, SOX9 발현 증가는 줄기세포의 연골세포로의 분화를 유발한다(도 5A, b). 골형성-관련 유전자 및 단백질을 RT-PCR 및 웨스턴 블롯 분석으로 분석하였다(도 5B). RUNX2 발현의 억제는 골형성을 교란함으로써, 연골형성과 같은 다른 형태의 분화를 촉진시키게 된다. 골형성-관련 유전자인 OSX, β-카테닌, 및 Dlx-5의 발현은 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서 억제되었으나, 콘트롤 hMSCs 및 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs에서는 그렇지 않았다.In the course of bone formation, RUNX2 induces the expression of asterix (OSX), β-catenin, and Dlx-5 (FIG. 5A, a). In contrast, increased SOX9 expression leads to the differentiation of stem cells into chondrocytes (FIGS. 5A, b). Osteogenesis-related genes and proteins were analyzed by RT-PCR and Western blot analysis (FIG. 5B). Inhibition of RUNX2 expression disrupts bone formation and promotes different forms of differentiation, such as cartilage formation. Expression of the bone formation-related genes OSX, β-catenin, and Dlx-5 was inhibited in hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors, but with control hMSCs and empty pDNA (MOCK pDNA). Not so in hMSCs transfected with complexed PEI / DEX NPs.

연골형성을 조직학 분석, GAG 함량 분석, RT-PCR, 및 웨스턴 블롯팅으로 조사하였다(도 6). hMSCs를 6-웰 접시에 파종하고, 다양한 NPs로 처리하고, 3주 동안 배양하였다(도 6A). 알시안 블루 및 사프라닌-O로 염색된 샘플에서, 프로테오글리칸 및 폴리사카라이드를 나타내는 청색 및 오렌지색 표지가 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서 명확하게 검출되었다(도 6B, d 및 h). 그러나, 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs에서는 염색이 덜 강하였으며, 이는 낮은 수준의 연골세포로의 분화를 나타낸다. 이러한 결과는 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs의 형질감염이 hMSCs의 연골세포로의 분화를 촉진하며, hMSCs의 골세포로의 분화를 감소시켰음을 나타낸다. 또한, 2D 배양 시스템에서, GAG 함량은 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서 높았다(도 6C, d). Cartilage formation was examined by histological analysis, GAG content analysis, RT-PCR, and western blotting (FIG. 6). hMSCs were seeded in 6-well dishes, treated with various NPs and incubated for 3 weeks (FIG. 6A). In samples stained with Alcian blue and safranin-O, blue and orange labels representing proteoglycans and polysaccharides were clearly detected in hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors ( 6B, d and h). However, staining was less intense in hMSCs transfected with PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA), indicating low levels of differentiation into chondrocytes. These results indicate that transfection of RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors promoted the differentiation of hMSCs into chondrocytes and reduced the differentiation of hMSCs into osteocytes. In addition, in 2D culture systems, the GAG content was high in hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors (Figure 6C, d).

연골형성-관련 유전자 및 단백질의 수준은 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서 증가되었다(도 6D 및 E). 이들 hMSCs에서, 연골형성-관련 유전자인 SOX9의 발현은 증가된 반면, RUNX2의 발현은 감소되었다. 이러한 결과는 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs의 형질감염이 hMSCs의 연골로의 분화를 증가시키고 또한 hMSCs의 골로의 분화를 감소시킨다는 것을 확인해 준다.Levels of cartilage-related genes and proteins were increased in hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors (FIGS. 6D and E). In these hMSCs, the expression of the cartilage-associated gene SOX9 was increased while the expression of RUNX2 was decreased. These results confirm that transfection of RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors increases the differentiation of hMSCs into cartilage and also reduces the differentiation of hMSCs into bone.

본 발명자들은 또한 3D 시스템으로 배양된 hMSCs의 연골로의 분화를 조사하였다. hMSCs를 6-웰 접시에 파종하고, 다양한 방법으로 처리하고, 떼어내고(detached), 펠렛화(pelleted)하고, 3주 동안 배양하였다(도 7A). 이후, 응집된 세포의 연골형성을 분석하였다. 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs는 연골형성-관련 유전자인 SOX9, COL II, 및 아그리칸(aggrecan)을 발현하였다(도 7B). 그러나, 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs 또는 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs는 이들 유전자를 발현하지 않았다. 또한, 정량분석 결과는 콘트롤 hMSCs에 비하여 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서 SOX9, COL II, 및 아그리칸의 발현이 각각 6배, 1.5배, 및 5.5배 높았다(도 7C). 이러한 결과는 DEX 및 4개의 인자가 hMSCs의 연골로의 분화를 촉진한다는 것을 나타낸다.We also investigated the differentiation of hMSCs into cartilage cultured in a 3D system. hMSCs were seeded in 6-well dishes, treated in various ways, detached, pelleted and incubated for 3 weeks (FIG. 7A). The cartilage formation of the aggregated cells was then analyzed. HMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors expressed cartilage-associated genes SOX9, COL II, and aggrecan (FIG. 7B). However, hMSCs transfected with PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA) or hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors did not express these genes. In addition, the results of quantitative analysis showed that the expression of SOX9, COL II, and Agrican were 6, 1.5, and 5.5 fold in hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors compared to control hMSCs, respectively. High (FIG. 7C). These results indicate that DEX and four factors promote differentiation of hMSCs into cartilage.

콘트롤 hMSCs 및 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs에 비하여 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서 GAG 함량은 18배 높았다(도 7D). 또한, 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RtNPs로 형질감염된 hMSCs에 비하여 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서, GAG 함량은 1.5배 높았다(도 7D, c 및 d).The GAG content was 18-fold higher in hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors compared to hMSCs transfected with PEI / DEX NPs complexed with control hMSCs and empty pDNA (MOCK pDNA) (FIG. 7D ). In addition, the GAG content was 1.5-fold higher in hMSCs transfected with RDtNPs complexed with all four factors compared to hMSCs transfected with RDNPs complexed with all four factors (Figure 7D, c and d).

세포 응집물(cell aggregates)을 알시안 블루 및 사프라닌-O로 염색하였다(도 7E). 콘트롤 hMSCs 및 빈 pDNA(MOCK pDNA)와 복합체화된 PEI/DEX NPs로 형질감염된 hMSCs에서 어떠한 청색 또는 오렌지색 표지도 관찰되지 않았다. 대조적으로, 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서 명확한 표지가 관찰되었다.Cell aggregates were stained with alcian blue and safranin-O (FIG. 7E). No blue or orange label was observed in hMSCs transfected with control hMSCs and PEI / DEX NPs complexed with empty pDNA (MOCK pDNA). In contrast, clear labeling was observed in hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors.

본 발명자들은 SOX9, 아그리칸, 및 COL II의 웨스턴 블롯 분석을 수행하였다(도 8A). SOX9의 수준은 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서 높았다. hMSCs의 모든 발현된 단백질-관련 연골형성은 PEI/DEX 중합체와 복합체화된 4개의 인자로 처리된 hMSCs에서 높은 스코어 및 강한 밴드를 나타내었다. 연골 분화의 초기 및 최종 단계에 각각 관여하는 아그리칸 및 COL II의 발현은 또한 이들 hMSCs에서 높았다. 단백질 발현을 정량하였다(도 8B). 웨스턴 블롯 분석과 유사하게, COL II 및 아그리칸의 수준은 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서 증가되었다.We performed Western blot analysis of SOX9, Agrican, and COL II (FIG. 8A). Levels of SOX9 were high in hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors. All expressed protein-associated chondrogenesis of hMSCs showed high scores and strong bands in hMSCs treated with four factors complexed with PEI / DEX polymers. Expression of Agrican and COL II, respectively, involved in the early and final stages of cartilage differentiation were also high in these hMSCs. Protein expression was quantified (FIG. 8B). Similar to Western blot analysis, levels of COL II and Agrican were increased in hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors.

면역조직학 분석에서, SOX9 및 COL II(각각 녹색 및 적색으로 나타냄)는 3주 동안 배양된 hMSCs의 펠렛 가까이에서 검출되었다(도 8C). 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs에서 이러한 표지는 뚜렸하였다. SOX9 표지가 또한 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs의 펠렛에서 검출되었으나, 그 강도는 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs로 형질감염된 hMSCs의 펠렛 보다는 낮았다. COL II는 이들 펠렛에서 강하게 염색되지 않았다. 이러한 결과는 4개의 인자 모두를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs의 형질감염이 특정 세포외 매트릭스 단백질의 생산을 유도하고 또한 hMSCs의 성숙한 연골세포로의 분화를 유도한다는 것을 나타낸다.In immunohistologic analysis, SOX9 and COL II (represented in green and red, respectively) were detected near pellets of hMSCs cultured for 3 weeks (FIG. 8C). This label was covered in hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors. SOX9 labeling was also detected in pellets of hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors, but the intensity was greater than that of hMSCs transfected with RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors. Low. COL II did not stain strongly on these pellets. These results indicate that transfection of RDtNPs complexed with pDNA containing all four factors induces the production of specific extracellular matrix proteins and also induces the differentiation of hMSCs into mature chondrocytes.

3. 결론3. Conclusion

본 발명에 의해 PEI/DEX NPs가 hMSCs에 쉽게 유입된다는 것이 입증되었다. 또한, miRUNX2 및 shRUNX2의 형질감염은 72시간까지 동안 내인성 RUNX2를 고갈시킨다. 연골생성 마커의 분석은 miRUNX2 및 shRUNX2를 포함하는 pDNA와 복합체화된 RDtNPs의 내재화가 hMSCs의 연골생성을 촉진하였음을 나타낸다. 이들 결과는 RUNX2의 넉다운을 통한 골형성의 억제가 hMSCs의 연골형성을 촉진한다는 것을 나타낸다.It has been demonstrated by the present invention that PEI / DEX NPs readily enter hMSCs. In addition, transfection of miRUNX2 and shRUNX2 depletes endogenous RUNX2 for up to 72 hours. Analysis of cartilage markers indicated that internalization of RDtNPs complexed with pDNA, including miRUNX2 and shRUNX2, promoted cartilage production of hMSCs. These results indicate that inhibition of bone formation through knockdown of RUNX2 promotes cartilage formation in hMSCs.

<110> College of Medicine Pochon CHA University Industry-Academic Cooperation Foundation <120> Nanoparticle delivery system for inducing chondrogenic differentiation of stem cells through RNA interference and method for chondrogenic differentiation using the same <130> PN0829 <160> 4 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 22 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> miRNA <400> 1 tgtaaacatc ctcgactgga ag 22 <210> 2 <211> 22 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> miRNA <400> 2 tgtaaacatc cccgactgga ag 22 <210> 3 <211> 19 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> shRNA <400> 3 gcacgctatt aaatccaaa 19 <210> 4 <211> 19 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> shRNA <400> 4 ggttcaacga tctgagatt 19 <110> College of Medicine Pochon CHA University Industry-Academic Cooperation Foundation <120> Nanoparticle delivery system for inducing chondrogenic          differentiation of stem cells through RNA interference and method          for chondrogenic differentiation using the same <130> PN0829 <160> 4 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 22 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> miRNA <400> 1 tgtaaacatc ctcgactgga ag 22 <210> 2 <211> 22 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> miRNA <400> 2 tgtaaacatc cccgactgga ag 22 <210> 3 <211> 19 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> shRNA <400> 3 gcacgctatt aaatccaaa 19 <210> 4 <211> 19 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> shRNA <400> 4 ggttcaacga tctgagatt 19

Claims (14)

RNA 간섭을 통한 줄기세포의 연골분화 유도를 위한 나노입자 전달체로서, RUNX2 유전자를 표적으로 하는 하나 이상의 마이크로 RNAs(miRNAs) 및 RUNX2 유전자를 표적으로 하는 하나 이상의 짧은 헤어핀 RNAs(shRNAs)를 포함하는 플라스미드 벡터를 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민과 복합체화시켜 얻어진 나노입자 전달체.Nanoparticle carriers for inducing cartilage differentiation of stem cells via RNA interference, comprising: one or more microRNAs (miRNAs) targeting the RUNX2 gene and one or more short hairpin RNAs (shRNAs) targeting the RUNX2 gene Nanoparticle carrier obtained by complexing with dexamethasone conjugated polyethyleneimine. 제1항에 있어서, 상기 플라스미드 벡터가 서열번호 1 또는 2의 염기서열을 갖는 miRNAs를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 전달체.The nanoparticle transporter of claim 1, wherein the plasmid vector comprises miRNAs having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 or 2. 3. 제1항에 있어서, 상기 플라스미드 벡터가 서열번호 3 또는 4의 염기서열을 갖는 shRNAs를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 전달체.The nanoparticle transporter of claim 1, wherein the plasmid vector comprises shRNAs having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 or 4. 4. 제1항에 있어서, 상기 플라스미드 벡터가 서열번호 1의 염기서열을 갖는 miRNAs, 서열번호 2의 염기서열을 갖는 miRNAs, 서열번호 3의 염기서열을 갖는 shRNAs, 및 서열번호 4의 염기서열을 갖는 shRNAs를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 전달체.According to claim 1, wherein the plasmid vector miRNAs having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, miRNAs having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2, shRNAs having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3, and shRNAs having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 4 Nanoparticle transport comprising a. 제1항에 있어서, 상기 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민이 N,N-디시클로헥실카르보디이미드 및 N-히드록시숙신이미드의 존재하에서, 덱사메타손을 폴리에틸렌이민과 반응시켜 얻어지는 것을 특징으로 하는 나노입자 전달체.The nanoimide of claim 1, wherein the polyethyleneimine conjugated with dexamethasone is obtained by reacting dexamethasone with polyethyleneimine in the presence of N, N-dicyclohexylcarbodiimide and N-hydroxysuccinimide. Particle carrier. 제5항에 있어서, 상기 폴리에틸렌이민이 아미노에틸 사슬(aminoethyl branch)을 갖는 사슬구조의 폴리에틸엔이민(branched polyethylenimine)인 것을 특징으로 하는 나노입자 전달체.The nanoparticle carrier according to claim 5, wherein the polyethyleneimine is a branched polyethylenimine having a aminoethyl branch. 제6항에 있어서, 상기 사슬구조의 폴리에틸엔이민이 0.6∼30 kDa의 중량평균분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 나노입자 전달체.7. The nanoparticle carrier according to claim 6, wherein the polyethylenimine of the chain structure has a weight average molecular weight of 0.6 to 30 kDa. 제1항에 있어서, 상기 복합체화가 (i) 수성 매질 중에서 상기 플라스미드 벡터를 상기 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민을 반응시키는 단계 및 (ii) 단계(i)에서 얻어진 반응 혼합물을 맴브레인 필터로 여과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 전달체.The process of claim 1 wherein said complexing comprises (i) reacting said plasmid vector in an aqueous medium with said dexamethasone conjugated polyethyleneimine and (ii) filtering the reaction mixture obtained in step (i) with a membrane filter. Nanoparticle transport comprising a. 제1항에 있어서, 상기 플라스미드 벡터가 상기 덱사메타손이 컨쥬게이션된 폴리에틸렌이민 1 μg에 대하여 0.75 ㎍ 이상의 비율로 복합체화되는 것을 특징으로 하는 나노입자 전달체.The nanoparticle carrier according to claim 1, wherein the plasmid vector is complexed at a ratio of 0.75 μg or more with respect to 1 μg of the polyethyleneimine conjugated with dexamethasone. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 나노입자 전달체로 줄기세포를 형질감염시키는 것을 포함하는, 줄기세포의 연골세포로의 분화방법.10. A method of differentiating stem cells into chondrocytes, comprising transfecting the stem cells with the nanoparticle transporter according to claim 1. 제10항에 있어서, 상기 줄기세포가 인간 중간엽 줄기세포인 것을 특징으로 하는 분화방법.11. The method of claim 10, wherein said stem cells are human mesenchymal stem cells. 제10항에 있어서, 상기 형질감염이 상기 나노입자 전달체를 포함하는 무혈청 배지 중에서 상기 줄기세포를 배양함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 분화방법.The method of claim 10, wherein said transfection is performed by culturing said stem cells in a serum-free medium comprising said nanoparticle transporter. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 나노입자 전달체로 형질감염된 줄기세포를 포함하는 연골조직 재건 또는 재생용 약학 조성물.A pharmaceutical composition for cartilage reconstruction or regeneration comprising stem cells transfected with a nanoparticle transporter according to any one of claims 1 to 9. 제13항에 있어서, 상기 줄기세포가 인간 중간엽 줄기세포인 것을 특징으로 하는 약학 조성물.The pharmaceutical composition of claim 13, wherein the stem cells are human mesenchymal stem cells.
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