KR20210144121A - Artificial scaffold for corneal endothelial cell transplantation, manufacturing method thereof, and ultra-thin descemet stripping endothelial graft using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for tissue-engineering an artificial scaffold for corneal endothelial cell transplantation and an ultrathin descemet membrane stripping endothelial graft recellularized by transplanting cells into the scaffold prepared by the above method. The method for tissue-engineering an artificial scaffold for corneal endothelial cell transplantation according to the present invention is capable of producing a scaffold having excellent transparency and an ultrathin thickness through an optimal decellularization process. In addition, the scaffold produced by the method of the present invention has excellent morphological stability and can provide a microenvironment that is suitable for cell survival and differentiation. When corneal endothelial cells are transplanted into the scaffold of the present invention, the corneal endothelial cells can show excellent adhesion, can be distributed evenly, and can show a high survival rate. In addition, the descemet membrane stripping endothelial graft recellularized by transplanting corneal endothelial cells into the scaffold of the present invention can exhibit high transparency, can be maintained in an ultrathin shape with a thickness of 90-120 μm, and does not contain a heterologous substance that can cause an immune rejection reaction, thereby being usefully used for descemet membrane stripping endothelial keratoplasty.

Description

각막내피세포 이식용 인공 지지체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 초박형 데스메막박리 각막내피층판 이식편{Artificial scaffold for corneal endothelial cell transplantation, manufacturing method thereof, and ultra-thin descemet stripping endothelial graft using the same}Artificial scaffold for corneal endothelial cell transplantation, manufacturing method thereof, and ultra-thin Descemet's membrane detachment corneal endothelial graft using the same, and ultra-thin descemet stripping endothelial graft using the same

본 발명은 각막내피세포 이식용 인공 지지체를 조직공학적으로 제조하는 방법 및 상기 방법으로 제조된 지지체에 세포를 이식하여 재세포화시킨 초박형 데스메막박리 각막내피층판 이식편에 대한 것이다.The present invention relates to a method for tissue engineering manufacturing an artificial scaffold for corneal endothelial cell transplantation, and to a super-thin Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft in which cells are transplanted into the scaffold prepared by the above method and recellularized.

각막(角膜, cornea)은 눈알 외막의 1/6을 차지하며, 빛을 굴절시켜 주는 주된 기관 중 하나이다. 각막은 각막상피, 보우만층, 각막기질(각막실질), 데스메막, 각막내피의 총 5개 층으로 이루어져 있다. 각막상피는 5~6의 세포층으로 이루어져 있으며, 주변부의 줄기세포로부터 기초 세포가(base cell)가 생성되어 중심부로 이동하며 7일 후 탈락하게 된다. 보우만층은 세포가 없는 아교질 섬유로 되어 있으며, 무색 투명하다. 그러나, 재생이 불가하여 수술이나 외상 시 흉터를 남기게 된다. 각막기질은 각막의 두께의 90%를 차지하며, 세포의 진행방향 및 크기가 일정하다. 데스메막은 3~4층의 세포로 이루어져 있으며, 내피의 기저 막으로 추정되는 곳이다. 각막내피는 1층의 세포로 이루어져 있으며, 내피의 세포는 정해져 있고, 재생은 극히 제한적이며, 나이가 들면 세포의 수가 감소한다. 세포의 수가 감소할 경우, 주변의 세포가 커져 자리를 메우게 된다.The cornea (角膜, cornea) occupies 1/6 of the outer membrane of the eyeball and is one of the main organs that refracts light. The cornea consists of a total of 5 layers: corneal epithelium, Bowman's layer, corneal stroma (corneal stroma), Descemet's membrane, and corneal endothelium. The corneal epithelium consists of 5-6 cell layers, and basal cells are generated from the stem cells in the periphery, move to the center, and fall off after 7 days. Bowman's layer is composed of cell-free collagen fibers and is colorless and transparent. However, it is impossible to regenerate, leaving scars during surgery or trauma. The corneal matrix accounts for 90% of the thickness of the cornea, and the direction and size of cells are constant. Descemet's membrane consists of 3 to 4 layers of cells and is presumed to be the basement membrane of the endothelium. The corneal endothelium consists of one layer of cells, the cells of the endothelium are fixed, regeneration is extremely limited, and the number of cells decreases with age. When the number of cells decreases, the surrounding cells grow to fill the space.

각막내피세포이영양증(corneal endothelial dystrophy: CED)은 심각한 시각 장애의 주요 요인이다. 푹스각막내피이상증 (Fuchs endothelial corneal dystrophy: FECD)은 일반적인 각막 질환으로 내피세포의 점진적인 손실, 데스메막(DM)의 비후화, 안구 돌기 성장물 침적이 특징이다. 상기 질환은 미국에서 40세 이상 인구의 4%에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 각막 이식에 대한 의뢰는 푹스각막내피이상증의 첫 진단에서 이루진다.Corneal endothelial dystrophy (CED) is a major cause of severe visual impairment. Fuchs endothelial corneal dystrophy (FECD) is a common corneal disease characterized by gradual loss of endothelial cells, thickening of Descemet's membrane (DM), and deposition of orbital growths. The disease is known to occur in 4% of the population over the age of 40 in the United States. The request for corneal transplantation is made at the first diagnosis of Fuchs' corneal endothelial dystrophy.

각막내피(corneal endothelium)는 생리학적 이온 펌프가 내장된 각막의 후방 표면에 있는 육각형 세포의 단일층으로 구성된다. 각막내피세포(corneal endothelial cell: CEC)는 기질(stroma)에서 물을 안방수(aqueous humor)로 펌핑하여 수화를 제어하여 기계적 강도를 유지한다. 출생시 인간 각막내피세포(CEC)의 평균 밀도는 약 5000 cells/mm2이다. 그러나, 유사 분열 잠재력이 제한되어 있기 때문에, 총 세포수는 연령에 따라 감소한다. 각막내피세포(CEC)가 손상되면 세포는 유사 분열이 아닌 세포 확장 및 이동을 통해 복구된다. 유전 질환이나 노화로 인해 각막내피세포(CEC) 밀도가 500 cells/mm2 아래로 떨어지면 더 이상 일반적인 회복을 통해 손실을 보상할 수 없으며 손상은 영구적으로 유지된다. The corneal endothelium consists of a monolayer of hexagonal cells on the posterior surface of the cornea, which contains a physiological ion pump. Corneal endothelial cells (CEC) maintain mechanical strength by controlling hydration by pumping water from the stroma to the aqueous humor. The average density of human corneal endothelial cells (CEC) at birth is about 5000 cells/mm 2 . However, because the mitotic potential is limited, the total cell number decreases with age. When corneal endothelial cells (CECs) are damaged, cells are repaired through cell expansion and migration rather than mitosis. When the corneal endothelial cell (CEC) density drops below 500 cells/mm 2 due to genetic disease or aging, the loss can no longer be compensated by normal recovery and the damage is permanent.

현재, 각막내피세포(CEC) 손실에 대한 확립된 치료는 각막 이식이다. 전층각막이식수술(penetrating keratoplasty, PK) 또는 부분층 각막내피층이식술(partial-thickness endothelial keratoplasty, EK)에 의해 각막의 투명도는 공여자 조직의 이식에 의해 회복될 수 있다. Currently, the established treatment for corneal endothelial cell (CEC) loss is corneal transplantation. With penetrating keratoplasty (PK) or partial-thickness endothelial keratoplasty (EK), corneal transparency can be restored by transplantation of donor tissue.

부분층 각막내피층이식술은 전층각막이식수술에 비해 수술 전, 후 위험과 회복 시간을 모두 줄일 수 있다. 심층판 각막내피세포이식술(Deep Lamellar Endothelial Keratoplasty, DLEK), 데스메막박리 각막내피층판이식술(Descemet-stripping endothelial keratoplasty, DSEK) 및 데스메막 각막내피이식술(Descemet membrane endothelia keratoplasty, DMEK)을 포함하여 각막내피세포이식술을 수행하는 몇 가지 방법이 있다. 임상적으로 부분층 각막내피층이식술이 전층각막이식수술 보다 시각적 결과가 더 좋고 각막내피층이식술 이식편의 생존율이 전층각막이식수술 보다 훨씬 높다는 것이 밝혀졌다. 따라서 최근 미국에서는 전층각막이식수술에 비해 각막내피층이식술을 시행하는 경우가 꾸준히 증가하고 있다. 그러나 전세계 공여자 각막 조직의 부족으로 인해 각막 이식은 70명의 환자 중 1명으로 제한되는 실정이다. 따라서, 치료를 위한 새로운 치료법을 찾는 것이 여전히 중요한 과제이다.Compared to full-thickness corneal transplantation, partial-thickness corneal endothelial grafting can reduce both the risk and recovery time before and after surgery. Including Deep Lamellar Endothelial Keratoplasty (DLEK), Descemet-stripping endothelial keratoplasty (DSEK) and Descemet membrane endothelia keratoplasty (DMEK) There are several ways to perform cell transplantation. Clinically, it was found that partial-thickness keratoplasty had better visual results than full-thickness keratoplasty, and the survival rate of endodermal endodermal graft grafts was much higher than that of full-thickness keratoplasty. Therefore, in the United States, the number of cases of corneal endothelial layer grafting compared to full-thickness corneal transplantation has been steadily increasing. However, due to the lack of donor corneal tissue worldwide, corneal transplantation is limited to 1 in 70 patients. Therefore, finding new therapies for treatment remains an important task.

한편, 유도만능줄기세포(iPSC) 및 중간엽 줄기세포의 각막내피세포로의 유도와 같은 줄기 세포의 분화에 대한 새로운 연구가 최근 임상 치료를 위해 수행되었다. 특히, 유도만능줄기세포(iPSC)가 무한 각막내피유사세포(iCEC)로 분화될 수 있는 능력은 수술 후 면역억제에 대한 필요성을 제거하는 유망한 환자 특이적 접근법이다. 2016년 보고된 연구에서는 BJ 인간 포피 섬유아세포로부터 유래된 유도만능줄기세포(iPSC)로부터 각막내피유사세포(CEC)의 도출을 기술하였다 (Zhao and Afshari. 2016). 유사하게, 또 다른 연구에서는 각막내피유사세포(CEC)의 유도를 위한 성인 섬유아세포 유래 유도만능줄기세포(iPSC)에 대한 절차가 고안된바 있다(Wagoner et al. 2018). 이러한 줄기세포와 관련된 연구는 활발히 수행되었지만, 상기 세포의 생존 및 분화를 위해 적절한 미세환경을 제공할 수 있는 임상적으로 이용 가능한 최적의 스캐폴드에 대한 연구가 없어, 제약을 받고 있다.Meanwhile, new studies on the differentiation of stem cells, such as induced pluripotent stem cells (iPSCs) and the induction of mesenchymal stem cells into corneal endothelial cells, have recently been performed for clinical treatment. In particular, the ability of induced pluripotent stem cells (iPSCs) to differentiate into infinite corneal endothelial-like cells (iCECs) is a promising patient-specific approach that eliminates the need for postoperative immunosuppression. A study reported in 2016 described the derivation of corneal endothelial-like cells (CECs) from induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from BJ human foreskin fibroblasts (Zhao and Afshari. 2016). Similarly, another study designed a procedure for adult fibroblast-derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) for the induction of corneal endothelial-like cells (CECs) (Wagoner et al. 2018). Although studies related to these stem cells have been actively conducted, there is no study on an optimal clinically available scaffold that can provide an appropriate microenvironment for the survival and differentiation of the cells, and thus, there are limitations.

각막 기증자 부족을 극복하기 위해 연구원들은 생체 내 모방과 우수한 생체적합성을 제공하는 적절한 생체 재료를 사용하여 각막 조직 공학에 관심을 집중하고 있다. 콜라겐 시트, 젤라틴 필름, 하이드로겔 렌즈 및 양막과 같은 각막 내피 이식을 위한 다양한 유형의 물질이 보고된 바 있다(Ishino 등 2004, Kennedy 등 2019, Mimura 등 2004, Watanabe 등 2011)). 상기 물질들 중에서 탈세포화된 조직은, 고유한 장기 유래 미세환경(microenvironment)이 있는 특성으로 인해 주목을 받고 있다. 물리적, 화학적 및 생물학적 방법을 포함하여, 임상 용도에 대한 그들의 적합성을 확인하기 위해 각막의 탈세포화를 위한 다른 기술이 연구되었다.To overcome the corneal donor shortage, researchers are focusing their attention on corneal tissue engineering using appropriate biomaterials that offer in vivo mimicry and superior biocompatibility. Various types of materials for corneal endothelial implantation, such as collagen sheets, gelatin films, hydrogel lenses, and amniotic membranes, have been reported (Ishino et al. 2004; Kennedy et al. 2019; Mimura et al. 2004; Watanabe et al. 2011). Among these materials, decellularized tissues are attracting attention due to their unique organ-derived microenvironment. Other techniques for decellularization of the cornea have been investigated, including physical, chemical and biological methods, to confirm their suitability for clinical use.

그러나 탈세포화된 각막의 생산은 주로 부분적인 두께가 아니라 각막 전체에 집중되어 왔으며, 또한, 탈세포화법을 이용한 초박형 데스메막박리 각막내피층판의 생산에 관한 연구가 부족한 실정이다.However, the production of decellularized cornea has been mainly focused on the entire cornea rather than a partial thickness, and research on the production of ultra-thin Descemet's corneal endothelial plate using the decellularization method is lacking.

이러한 배경 하에, 본 발명자는 인간 각막의 대안으로 돼지 각막을 사용하여 각막내피세포 이식용 인공 지지체를 제조하였으며, 상기 지지체에 세포를 이식하여 재세포화시킨 초박형 데스메막박리 각막내피층판 이식편을 제조하였다. 본 발명의 초박형 데스메막박리 각막내피층판 이식편은 투명성이 매우 우수할 뿐 아니라 90 ~ 120 μm 범위의 초박막 두께를 갖는바, 각막내피세포이식술에 유용하게 사용될 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Under this background, the present inventors prepared an artificial scaffold for corneal endothelial cell transplantation using pig cornea as an alternative to the human cornea, and prepared an ultra-thin Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft that was recellularized by transplanting cells into the scaffold. The present invention was completed by confirming that the ultra-thin Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft of the present invention has very good transparency and an ultra-thin thickness in the range of 90 to 120 μm, and thus can be usefully used for corneal endothelial cell transplantation.

한국등록특허 제10-1029887호Korean Patent No. 10-1029887

따라서 본 발명의 목적은 각막내피세포 이식용 인공 지지체의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an artificial scaffold for transplantation of corneal endothelial cells.

본 발명의 다른 목적은, 상기 방법을 통해 제조된 각막내피세포 이식용 인공 지지체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an artificial scaffold for transplantation of corneal endothelial cells prepared by the above method.

본 발명의 또 다른 목적은 지지체에 세포를 이식하여 재세포화시킨 초박형 데스메막박리 각막내피층판 이식편을 제공한는 것이다.Another object of the present invention is to provide an ultra-thin Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft, which is recellularized by transplanting cells into a scaffold.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서,In order to achieve the object of the present invention as described above,

본 발명은 a) 동물의 각막을 준비하는 단계; b) 상기 각막에서 각막내피(corneal endothelium), 데스메막(Descemet membrane) 및 후방 기질(posterior stroma)의 양 끝부분을 생검 펀치를 이용하여 절개(incision)한 후 탈세포화시키는 단계; c) 탈세포화된 각막에서 데스메막박리 각막내피층판을 박리하는 단계; d) 박리된 데스메막박리 각막내피층판을 탈세포화시키는 단계; 및 e) 탈세포화된 데스메막박리 각막내피층판을 건조시키는 단계를 포함하는, 각막내피세포 이식용 인공 지지체 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of a) preparing an animal's cornea; b) decellularizing both ends of the corneal endothelium, Descemet membrane, and posterior stroma in the cornea using a biopsy punch and then decellularizing; c) exfoliating the Descemet's Membrane Endothelial Plate from the decellularized cornea; d) decellularizing the exfoliated Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate; and e) drying the decellularized Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 d) 단계에서 탈세포화는 0.1 내지 0.5% SDS 농도 조건 하에서 진행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, decellularization in step d) may be performed under 0.1 to 0.5% SDS concentration conditions.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 d) 단계에서 탈세포화는 실온에서 8시간 내지 12시간 진행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, decellularization in step d) may be performed at room temperature for 8 hours to 12 hours.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 e) 단계에서 건조는 15 내지 45℃에서 진행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the drying in step e) may be carried out at 15 to 45 ℃.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 각막내피세포 이식용 인공 지지체를 제공한다.In addition, the present invention provides an artificial scaffold for transplantation of corneal endothelial cells prepared by the above method.

또한, 본 발명은 상기 지지체에 세포를 이식하여 재세포화시킨 초박형 데스메막박리 각막내피층판 이식편을 제공한다,In addition, the present invention provides an ultra-thin Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft, which is recellularized by transplanting cells into the support.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 세포는 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cells)로부터 유래된 각막내피세포(corneal endothelial cells)일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cells may be corneal endothelial cells derived from induced pluripotent stem cells.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 이식편은 90 내지 120 μm 두께를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the graft may have a thickness of 90 to 120 μm.

본 발명의 각막내피세포 이식용 인공 지지체 제조방법은 최적의 탈세포화 과정을 통해 투명도가 우수하고 초박막 두께의 지지체를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법으로 제조된 지지체는 형태학적 안정성이 우수하고, 세포의 생존 및 분화를 위해 적절한 미세환경을 제공할 수 있는바, 본 발명의 상기 지지체에 각막내피세포가 이식되는 경우 우수한 부착성을 보이며 세포가 고르게 분포할 뿐 아니라, 높은 생존율을 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명의 상기 지지체에 각막내피세포를 이식하여 재세포화시킨 데스메막박리 각막내피층판 이식편은 높은 투명도와 더불어 90 내지 120 μm 두께의 초박막 형태를 유지할 수 있으며, 면역거부 반응을 일으킬 수 있는 이종성 물질을 포함하지 않는바, 각막내피세포이식술에 유용하게 사용될 수 있다.The method for manufacturing an artificial scaffold for corneal endothelial cell transplantation of the present invention can produce a scaffold with excellent transparency and an ultra-thin thickness through an optimal decellularization process. In addition, the scaffold prepared by the method of the present invention has excellent morphological stability and can provide an appropriate microenvironment for cell survival and differentiation. It can show a high survival rate as well as an even distribution of cells. In addition, the Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft, which is recellularized by transplanting corneal endothelial cells into the scaffold of the present invention, can maintain an ultra-thin form of 90 to 120 μm in thickness with high transparency, and heterogeneity capable of causing immune rejection Since it does not contain substances, it can be usefully used for corneal endothelial cell transplantation.

도 1은 방법 A와 방법 B의 공정을 간략하게 보여주는 모식도이다(Endo, Endothelium, DM, Descemet’s membrane; EPI, Epithelium; Full, Full-thickness cornea; DSE, Descemet stripping endothelial graft; DC, Decellularization).
도 2A는 방법 A 및 방법 B의 단계별 각막의 총 모양을 관찰한 것이다. 도 2B는 0.1% SDS를 사용하여 10시간 동안 탈세포화시킨 데스메막박리 각막내피층판 이식편의 투명도를 측정하여 그래프로 나타낸 것이다(CON: 대조군(투명한 슬라이드 유리), Full: 전체 두께 각막, A10h: 방법 A, B10h: 방법 B). 도 2C는 0.1% SDS를 사용하여 0시간, 10시간 동안 탈세포화시킨 데스메막박리 각막내피층판 이식편의 두께를 측정하여 그래프로 나타낸 것이다(Full: 전체 두께 각막, A: 방법 A, B: 방법 B).
도 3A는 데스메막박리 각막내피층판 이식편을 실온(RT)에서 0.1% SDS에서 0h, 4h, 6h, 10h 동안 탈세포화시킨 후 DAPI 염색을 진행한 이미지이다. 도 3B는 데스메막박리 각막내피층판 이식편을 4℃ 및 실온(RT) 조건에서 10시간 동안 탈세포화시킨 후 DAPI 염색을 진행한 이미지이다. 도 3C는 탈세포화를 거치지 않은 데스메막박리 각막내피층판 이식편(DSE) 및 10시간의 탈세포화 과정을 거친 데스메막박리 각막내피층판 이식편(DSE-DC 10h)에서 돼지 유래 면역원성 항원을 검출을 위해 PCR 검사를 진행한 결과이다.
도 4A는 0.1% 및 1% SDS에서 각각 탈세포화에 따른 데스메막박리 각막내피층판 이식편의 데스메막(DM) 및 후방 기질(posterior stromal) 구조를 헤마톡실린 및 에오신(H & E) 염색법을 통해 확인한 결과이다(DM, Descemet’s membrane; EPI, Epithelium; S, Stroma). 도 4B는 탈세포화를 거치지 않은 데스메막박리 각막내피층판 이식편(DSE) 및 10시간의 탈세포화 과정을 거친 데스메막박리 각막내피층판 이식편(DSE-DC 10h)의 콜라겐 매트릭스를 메이슨 트리크롬(Masson's trichrome) 염색법을 사용하여 측정한 결과이다.
도 5A는 습식(wet) 데스메막박리 각막내피층판 이식편을 세포 시딩(cell seeding) 배지에서 배양하였을 때 이식편이 팽창되고 말려서 투명성이 상실되는 것을 보여주는 사진이다. 도 5B는 데스메막박리 각막내피층판 이식편을 다양한 온도 조건(40℃, 60℃, -70℃)에서 건조시켰을 때 형태변화를 보여주는 사진이다. 도 5C는 40℃에서 건조 과정을 거친 탈세포화된 데스메막박리 각막내피층판 이식편에 세포 시딩(cell seeding) 후 배양 동안 투명성이 유지됨을 보여주는 사진이다. 도 5D는 재세포화 후 습식(wet) 및 건조(dry) 데스메막박리 각막내피층판 이식편의 투명도(왼쪽) 및 두께(오른쪽)를 비교한 사진이다. 도 5E는 대조군 (깨끗한 슬라이드 유리)과 비교하여, 재세포화된 습식(wet) 및 건조(dry) 데스메막박리 각막내피층판 이식편의 투명도를 측정한 결과이다. 도 5F는 재세포화된 습식(wet) 및 건조(dry) 데스메막박리 각막내피층판 이식편의 살아있는 세포(녹색)와 죽은세포(붉은색)를 염색하여 나타낸 것이다. 도 5G는 재세포화를 위한 배양 전·후 습식(wet) 및 건조(dry) 데스메막박리 각막내피층판 이식편의 두께를 측정한 결과이다.
도 6A는 인간 유도만능줄기세포(iPSC)로부터 각막내피세포(CEC)로 분화되는 과정을 0일차(D0), 12일차(D13), 22일차(D22)에 관찰한 것이다. 도 6B는 분화 된 세포에서 신경능선유사세포(NCC) 및 각막내피세포(CEC) 마커 발현을 면역조직 화학에 의해 확인한 결과이다. 도 6C는 iPSC로부터 분화된 각막내피세포(iCEC)로 재세포화된 데스메막박리 각막내피층판 이식편의 투명도를 보여주는 사진이다(아래의 글자가 명확하게 보임). 도 6D는 재세포화된 iCEC가 고르게 퍼지고, 대부분의 세포가 살아남 았으며, 건조(dry) 데스메막박리 각막내피층판 이식편에 잘 부착되어 있음을 확인한 것이다. 도 6E 탈세포화된 건조 이식편(DC Dry graft, 왼쪽 칼럼) 및 iCEC 재세포화된 이식편(iCEC RC graft, 오른쪽 칼럼)의 구조를 헤마톡실린 및 에오신(H & E) 염색법을 통해 확인한 결과이다. 도 6F는 재세포화된 이식편 및 제핵된(enucleated) 돼지 눈을 사용하여 데스메막박리 각막내피층판 이식술(DSEK)를 시연한 결과를 나타낸 것이다.
1 is a schematic diagram briefly showing the process of Method A and Method B (Endo, Endothelium, DM, Descemet's membrane; EPI, Epithelium; Full, Full-thickness cornea; DSE, Descemet stripping endothelial graft; DC, Decellularization).
2A is an observation of the total shape of the cornea at each stage of Method A and Method B. Figure 2B is a graph showing the measurement of the transparency of Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft decellularized for 10 hours using 0.1% SDS (CON: control (transparent slide glass), Full: full thickness cornea, A10h: method A, B10h: Method B). Figure 2C is a graph showing the thickness of the Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft decellularized for 0 hours and 10 hours using 0.1% SDS (Full: full thickness cornea, A: Method A, B: Method B ).
3A is an image of Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate grafts decellularized in 0.1% SDS at room temperature (RT) for 0h, 4h, 6h, and 10h, followed by DAPI staining. FIG. 3B is an image of Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft after decellularization at 4° C. and room temperature (RT) for 10 hours, followed by DAPI staining. Figure 3C shows the detection of porcine-derived immunogenic antigens in Descemet's membrane exfoliation corneal endothelial plate graft (DSE) without decellularization and Descemet membrane peeling corneal endothelial plate grafting graft (DSE-DC 10h) after 10 hours of decellularization. This is the result of PCR test.
Figure 4A shows the Descemet's membrane (DM) and posterior stromal structures of Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate grafts following decellularization in 0.1% and 1% SDS, respectively, through hematoxylin and eosin (H & E) staining. This is the confirmed result (DM, Descemet's membrane; EPI, Epithelium; S, Stroma). Figure 4B shows the collagen matrix of Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft (DSE) without decellularization and Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft (DSE-DC 10h) after 10 hours of decellularization using Mason's trichrome. ) is the result measured using the staining method.
FIG. 5A is a photograph showing that when a wet Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft is cultured in a cell seeding medium, the graft expands and curls, resulting in loss of transparency. Figure 5B is a photograph showing the morphological change when the Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft was dried at various temperature conditions (40 °C, 60 °C, -70 °C). 5C is a photograph showing that transparency is maintained during culture after cell seeding in decellularized Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate grafts that have been dried at 40°C. 5D is a photograph comparing the transparency (left) and thickness (right) of wet and dry Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate grafts after recellularization. FIG. 5E shows the results of measuring the transparency of the recellularized wet and dry Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate grafts compared to the control group (clear glass slides). Figure 5F shows the staining of live cells (green) and dead cells (red) of recellularized wet and dry Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate grafts. 5G is a result of measuring the thickness of the Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft before and after culture for recellularization.
6A shows the process of differentiation from human induced pluripotent stem cells (iPSCs) into corneal endothelial cells (CECs) at day 0 (D0), day 12 (D13), and day 22 (D22). 6B is the result of confirming the expression of neural crest-like cells (NCC) and corneal endothelial cell (CEC) markers in differentiated cells by immunohistochemistry. 6C is a photograph showing the transparency of a Descemet's detachable corneal endothelial plate graft recellularized into corneal endothelial cells (iCECs) differentiated from iPSCs (the letters below are clearly visible). 6D shows that the recellularized iCECs spread evenly, most of the cells survived, and it was confirmed that they were well attached to the dry Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft. 6E is the result of confirming the structures of the decellularized dry graft (DC Dry graft, left column) and iCEC recellularized graft (iCEC RC graft, right column) through hematoxylin and eosin (H & E) staining method. 6F shows the results of a demonstration of Descemet's membrane ablation corneal endothelial plate grafting (DSEK) using recellularized grafts and enucleated pig eyes.

본 발명은 각막내피세포 이식용 인공 지지체 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an artificial scaffold for transplantation of corneal endothelial cells.

본 발명의 각막내피세포 이식용 인공 지지체 제조방법은, a) 동물의 각막을 준비하는 단계; b) 상기 각막에서 각막내피(corneal endothelium), 데스메막(Descemet membrane) 및 후방 기질(posterior stroma)의 양 끝부분을 생검 펀치를 이용하여 절개(incision)한 후 탈세포화시키는 단계; c) 탈세포화된 각막에서 데스메막박리 각막내피층판을 박리하는 단계; d) 박리된 데스메막박리 각막내피층판을 탈세포화시키는 단계; 및 e) 탈세포화된 데스메막박리 각막내피층판 이식편을 건조시키는 단계를 포함한다.The method for manufacturing an artificial scaffold for corneal endothelial cell transplantation of the present invention comprises the steps of: a) preparing an animal's cornea; b) decellularizing both ends of the corneal endothelium, Descemet membrane, and posterior stroma in the cornea using a biopsy punch and then decellularizing; c) exfoliating the Descemet's Membrane Endothelial Plate from the decellularized cornea; d) decellularizing the exfoliated Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate; and e) drying the decellularized Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft.

본 발명의 상기 a) 단계는 동물의 각막을 준비하는 단계로서, 자세하게는 동물로부터 말초 공막 및 결막을 포함한 온전한 각막을 절제하여 준비하는 단계이다.Step a) of the present invention is a step of preparing the cornea of an animal, specifically, preparing by excising an intact cornea including the peripheral sclera and conjunctiva from the animal.

본 발명의 상기 b) 단계는 상기 온전한 각막을 탈세포화시키는 단계로서, 자세하게는 상기 a) 단계를 통해 준비된 온전한 각막에서 각막내피(corneal endothelium), 데스메막(Descemet membrane) 및 후방 기질(posterior stroma)의 양 끝부분을 5 ~ 15mm 생검 펀치를 이용하여 절개(incision)한 후 탈세포화시키는 단계이다.Step b) of the present invention is a step of decellularizing the intact cornea, specifically, corneal endothelium, Descemet membrane and posterior stroma in the intact cornea prepared through step a). It is a step of decellularization after incision (incision) of both ends using a 5 ~ 15mm biopsy punch.

온전한 각막은 각막상피, 보우만층, 각막기질(각막실질), 데스메막, 각막내피의 총 5개 층으로 이루어져 있는데, 본 발명의 상기 b) 단계에서는 각막기질의 후방(posterior), 데스메막 및 각막내피 3개의 부위에서 양 끝부분(말단)을 5 ~ 15mm 생검 펀치를 이용하여 절개(incision)한 다음, 0.1% SDS에서 5시간 동안 탈세포화시킬 수 있다.The intact cornea consists of a total of five layers: corneal epithelium, Bowman's layer, corneal stroma (corneal stroma), Descemet's membrane, and corneal endothelium. Both ends (ends) of the three endothelial sites are incised using a 5-15 mm biopsy punch, and then decellularized in 0.1% SDS for 5 hours.

본 발명의 상기 c) 단계는 데스메막박리 각막내피층판을 박리하는 단계로서, 자세하게는 상기 b) 단계를 거친 탈세포화된 각막에서 데스메막박리 각막내피층판을 박리하는 단계이다.The step c) of the present invention is a step of peeling the Descemet's membrane peeling corneal endothelial plate, specifically, peeling the Descemet's membrane peeling corneal endothelial plate from the decellularized cornea that has undergone step b).

데스메막은 각막내피세포의 기저막으로 각막내피세포층에서 합성되어 분비되는 산물이 헤미데스모좀(hemidesmosome) 결합으로 내피세포와 단단한 결합을 이루고 있다. 한편, 데스메막과 각막실질 간은 단단한 결합이 없이 불안정한 상태로 존재하기 때문에, 안구 내 수술 중 데스메막과 각막실질층 사이에서 분리가 일어날 수 있다. 이를 ‘데스메막박리’라고 한다. 데스메막이 분리되었다 함은 결국 각막 내피가 분리된 것을 의미하기 때문에, 각막 내피의 기능인 각막의 수분 조절기능이 소실되어, 각막은 만성적인 부종 상태에 빠지게 된다.Descemet's membrane is the basement membrane of corneal endothelial cells, and the products synthesized and secreted in the corneal endothelial cell layer form a tight bond with endothelial cells through hemidesmosome binding. On the other hand, since the Descemet's membrane and the corneal stroma exist in an unstable state without a tight bond, separation may occur between the Descemet's membrane and the corneal stroma during intraocular surgery. This is called ‘desmemak peel’. Because Descemet's membrane separation means that the corneal endothelium is finally separated, the corneal water control function, which is a function of the corneal endothelium, is lost, and the cornea falls into a chronic edema state.

한편, 데스메막박리 각막내피층판 이식술(Descemet’s stripping endothelial keratoplasty, DSEK)이라 함은, 호스트(host)의 각막내피 및 데스메막이 소량의 후방 기질(posterior stroma)과 함께 기증자의 각막내피와 데스메막으로 대체되는 각막층판이식술의 한 유형이다. 상기 이식술은 이식편의 고정을 위해 봉합이 필요 없기 때문에 봉합으로 인해서 생기는 고도 및 불규칙 난시를 예방할 수 있고, 수술 후 조직거부반응이 적으며 시력회복도 빠른 장점을 가지고 있다.On the other hand, Descemet's stripping endothelial keratoplasty (DSEK) means that the corneal endothelium and Descemet's membrane of the host are replaced with the donor's corneal endothelium and Descemet's membrane along with a small amount of posterior stroma. It is a type of replacement corneal lamellar grafting. Since the graft does not require sutures for fixation of the graft, high and irregular astigmatism caused by suturing can be prevented, tissue rejection is small after surgery, and vision recovery is quick.

본 발명에서 ‘데스메막박리 각막내피층판’이라 함은, 각막내피 및 데스메막과 함께 소량의 후방 기질(posterior stroma)을 포함하는 각막의 후부층판을 의미한다.In the present invention, the term "desmété membrane detachment corneal endothelial plate" refers to a posterior lamellar plate of the cornea including a small amount of posterior stroma together with the corneal endothelium and Descemet's membrane.

본 발명의 상기 d) 단계는 데스메막박리 각막내피층판을 탈세포화시키는 단계로서, 자세하게는 상기 c) 단계를 거쳐 수득되는 박리된 데스메막박리 각막내피층판을 0.1 내지 0.5% SDS 농도 조건 및 실온에서 8시간 내지 12시간 동안 탈세포화시키는 단계이다.Step d) of the present invention is a step of decellularizing the Descemet's membrane peeling corneal endothelial plate, and specifically, the Descemet's membrane peeling corneal endothelial plate obtained through step c) is subjected to 0.1 to 0.5% SDS concentration conditions and room temperature. This is a step of decellularization for 8 to 12 hours.

본 발명의 상기 e) 단계는 탈세포화된 데스메막박리 각막내피층판 이식편을 건조시키는 단계로서, 자세하게는 상기 d) 단계를 거친 데스메막박리 각막내피층판 이식편을 15 내지 45℃ 온도 조건에서 건조시키는 단계이다.Step e) of the present invention is a step of drying the decellularized Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft, specifically, drying the Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft that has undergone step d) at a temperature of 15 to 45°C. am.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 각막내피세포 이식용 인공 지지체를 제공한다.In addition, the present invention provides an artificial scaffold for transplantation of corneal endothelial cells prepared by the above method.

또한, 본 발명은 상기 각막내피세포 이식용 인공 지지체에 세포를 이식하여 재세포화시킨 초박형 데스메막박리 각막내피층판 이식편을 제공한다.In addition, the present invention provides an ultra-thin Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft in which cells are transplanted into the artificial scaffold for transplantation of corneal endothelial cells and recellularized.

본 발명의 일구체예에 있어서, 상기 세포는 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cells)로부터 유래된 각막내피세포(corneal endothelial cells) 또는 각막내피유사세포(corneal endothelial-like cell)일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cells may be corneal endothelial cells or corneal endothelial-like cells derived from induced pluripotent stem cells.

본 발명의 다른 구체예에서, 상기 데스메막박리 각막내피층판 이식편은 90 내지 120 μm 두께를 가진 초박형(ultrathin)일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft may be ultrathin having a thickness of 90 to 120 μm.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

<실시예><Example>

1. 재료 및 방법1. Materials and Methods

데스메막박리 각막내피층판(DSE) 이식편Descemet's Membrane Endothelial Plate (DSE) Graft

방법 A: 도축장에서 신선한 돼지 안구를 구입하였다. 말초 공막 및 결막을 포함한 각막을 절제하였다. 데스메막(DM) 및 각막내피세포(CEC)를 0.1 % 트리판 블루 용액 (Sigma, Rockford, IL)으로 염색하였다. 둥근 팁 집게를 사용하여 최소한의 기질층을 포함하는 데스메막박리 각막내피층판(DSE) 이식편을 수동으로 제거하였다. 박리된 이식편을 70 rpm의 속도로 완만하게 교반하면서 실온 (RT, 20℃)에서 10시간 동안 0.1 % 소듐 도데실 설페이트 (SDS; Sigma)에서 탈세포화시켰다. 2% antibiotic-antimycotic solution(Welgene, Gyeongsan, Korea)을 포함하는 인산완충액 (PBS)으로 4시간 씩 3반복하여 세척하였으며. 이어서, 이식편을 약산성 전해수 (SAEW; Medilox-S, Susan, Seoul, Korea)에서 1.5 시간 동안 멸균하고, PBS로 각각 30분 동안 3회 세척하였다. 사용하기 전 차가운 PBS에서 이식편을 4℃에서 최대 1주 동안 유지시켰다(도 1A 참조).Method A: Fresh pig eyes were purchased from a slaughterhouse. The cornea, including the peripheral sclera and conjunctiva, was resected. Descemet's membrane (DM) and corneal endothelial cells (CEC) were stained with 0.1% trypan blue solution (Sigma, Rockford, IL). Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate (DSE) grafts containing minimal stromal layer were manually removed using round tip forceps. The exfoliated grafts were decellularized in 0.1% sodium dodecyl sulfate (SDS; Sigma) for 10 hours at room temperature (RT, 20° C.) with gentle agitation at a speed of 70 rpm. Washing was repeated 3 times for 4 hours each with phosphate buffer (PBS) containing 2% antibiotic-antimycotic solution (Welgene, Gyeongsan, Korea). Then, the grafts were sterilized in weakly acidic electrolyzed water (SAEW; Medilox-S, Susan, Seoul, Korea) for 1.5 hours, and washed 3 times with PBS for 30 minutes each. The grafts were kept at 4° C. for up to 1 week in cold PBS prior to use (see FIG. 1A ).

방법 B: 도축장에서 신선한 돼지 안구를 구입하였다. 말초 공막 및 결막을 포함한 각막을 절제하였다. 각막내피세포(CEC), 데스메막(DM) 및 후방 기질의 양 끝부분 영역을 12mm 생검 펀치를 이용하여 절개(incision)하였다. 이후, 말초 공막 및 결막을 포함한 전체 각막 조직을 부드럽게 교반하면서 실온에서 5시간 동안 0.1% SDS에서 탈세포화시켰다. 그 후, 최소한의 기질층을 포함한 데스메막박리 각막내피층판(DSE) 이식편을 둥근 팁 집게를 사용하여 박리하였다. 분리된 데스메막박리 각막내피층판(DSE) 이식편을 다시 0.1% SDS에서 10시간 동안 탈세포화 후 세척하고, 방법 A에 기재된 바와 같이 멸균 절차를 수행하였다(도 1B 참조).Method B: Fresh pig eyes were purchased from a slaughterhouse. The cornea, including the peripheral sclera and conjunctiva, was resected. Corneal endothelial cells (CEC), Descemet's membrane (DM), and both ends of the posterior stroma were incised using a 12 mm biopsy punch. Then, the entire corneal tissue, including the peripheral sclera and conjunctiva, was decellularized in 0.1% SDS for 5 h at room temperature with gentle agitation. Then, the Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate (DSE) graft containing the minimal stromal layer was exfoliated using round tip forceps. The isolated Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate (DSE) graft was decellularized again in 0.1% SDS for 10 hours, then washed, and the sterilization procedure was performed as described in Method A (see FIG. 1B ).

이식편 분석Graft analysis

돼지 유래의 이종 이식 세포가 탈세포화된 이식편으로부터 제거되었는지를 확인하기 위해, 4,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI; Sigma) 마운팅 미디엄 한 방울을 유리 슬라이드 상에 샘플에 적용하였다. 남아있는 이식핵을 관찰하기 위해, 형광현미경 (LionHeart FX, BioTek, Winoosky, VT)을 사용하여 z-stack 이미징을 수행하였다. 각 샘플의 두께는 디지털 마이크로 캘리퍼스 ((Mitutoyo, Kawasaki, Japan)를 사용하여 측정하였다. 각막의 투명도를 평가하기 위해 투명 유리 슬라이드에 샘플을 놓은 다음 로마 알파벳 (Calibri 16 font, bold)이 인쇄된 종이에 놓았다. 각막 이식편의 투명성을 정량화하기 위해, Neo imager 소프트웨어(Neoscience, Seoul, Korea)를 사용하여 슬라이드 유리 아래의 알파벳 글자의 가시성을 샘플이 없는 슬라이드 유리 아래의 글자와 대조적으로 비교하였다. 헤마톡실린 및 에오신(H & E) 염색을 위해, 샘플을 4% 파라포름알데히드로 고정시킨 후 일련의 등급화된 에탄올 및 자일렌을 통해 탈수시켰다. 파라핀에 매립하고 두께 4 μm로 절단하였다. 섹션을 파라핀 제거하고 통상적인 방식으로 H & E로 염색하였다. 제조업체의 프로토콜 (Polysciences, PA, Warrington, PA)에 따라 샘플에서 콜라겐 물질을 평가하기 위해 메이슨 트리크롬(Masson's trichrome) 염색법을 수행하였다.To confirm that the pig-derived xenograft cells were removed from the decellularized graft, a drop of 4,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI; Sigma) mounting medium was applied to the sample on a glass slide. To observe the remaining graft nuclei, z-stack imaging was performed using a fluorescence microscope (LionHeart FX, BioTek, Winoosky, VT). The thickness of each sample was measured using a digital micro caliper (Mitutoyo, Kawasaki, Japan). To evaluate the transparency of the cornea, the sample was placed on a clear glass slide, and then the Roman alphabet (Calibri 16 font, bold) was printed on paper. To quantify the transparency of the corneal graft, Neo imager software (Neoscience, Seoul, Korea) was used to compare the visibility of alphabetic letters under the slide glass as opposed to the letters under the slide glass without the sample. For cillin and eosin (H&E) staining, the sample is fixed with 4% paraformaldehyde and then dehydrated through a series of graded ethanol and xylene.Embedded in paraffin and cut into 4 μm thick sections. They were deparaffinized and stained with H & E in a conventional manner, Masson's trichrome staining was performed to assess collagen material in the samples according to the manufacturer's protocol (Polysciences, PA, Warrington, PA).

이종 항원의 유무를 평가하기 위해, 다음 프로토콜을 사용하여 AccuPower® Taq PCR PreMix & Master Mix (Bioneer, Daejeon, Korea)를 사용하여 PCR을 수행하였다. 95℃에서 5분 동안 변성한 후 95℃ 20초, 어닐링(51 ~ 55 ℃) 30초, 72℃에서 30초간 35회 사이클을 진행하였으며, 72℃에서 10분 동안 최종 연장을 진행하였다. 제조업자의 프로토콜에 따라 G-spin™ Total DNA Extraction Mini Kit (Intron, Seongnam, Korea) 를 사용하여 샘플당 4 개의 각막 조직으로부터 DNA를 수득하였다. 사용된 프라이머의 서열은 하기 표에서 자세히 나타내었다. PCR 산물을 1.5 % 아가로스겔 (Bioneer)에서 분리하고 RedSafe 핵산 염색 용액 (Chembio, Medford, NY)으로 시각화하였다.To evaluate the presence or absence of a heterologous antigen, PCR was performed using the AccuPower® Taq PCR PreMix & Master Mix (Bioneer, Daejeon, Korea) using the following protocol. After denaturation at 95°C for 5 minutes, 35 cycles were performed at 95°C for 20 seconds, annealing (51 to 55°C) 30 seconds, and 72°C for 30 seconds, and final extension was performed at 72°C for 10 minutes. DNA was obtained from 4 corneal tissues per sample using the G-spin™ Total DNA Extraction Mini Kit (Intron, Seongnam, Korea) according to the manufacturer's protocol. The sequences of the primers used are detailed in the table below. PCR products were separated on a 1.5% agarose gel (Bioneer) and visualized with RedSafe nucleic acid staining solution (Chembio, Medford, NY).

프라이머 서열primer sequence 유전자gene 프라이머 서열(5‘-3’)Primer sequence (5'-3') porcine endogenous retrovirus-gag (PERV)porcine endogenous retrovirus-gag (PERV) 포워드forward CTACCCCGAGATTGAGGAGCCTACCCCGAGATTGAGGAGC 리버스Reverse GGGGGATGGTTAGTTTTCCAGGGGGATGGTTAGTTTTCCA PERV polymerasePERV polymerase 포워드forward CTACAACCATTAGGAAAACTAAAAGCTACAACCATTAGGAAAACTAAAAG 리버스Reverse AACCAGGACTGTATATCTTGATCAGAACCAGGACTGTATATCTTGATCAG swine leukocyte antigen DR alpha(SLA-DRA)swine leukocyte antigen DR alpha (SLA-DRA) 포워드forward CGAGAAGAGGTGGCAAGACACGAGAAGAGGTGGCAAGACA 리버스Reverse GTCCTGGAGGATTCCCTTGAGTCCTGGAGGATTCCCTTGA swine leukocyte antigen 2(SLA-2)swine leukocyte antigen 2 (SLA-2) 포워드forward GTCACCTTGAGGTGCTGGGGTCACCTTGAGGTGCTGGG 리버스Reverse TGGCAGGTGTAGCTCTGCTCTGGCAGGTGTAGCTCTGCTC porcine beta-actinporcine beta-actin 포워드forward TGTCATGGACTCTGGGGATGTGTCATGGACTCTGGGGATG 리버스Reverse GGGCAGCTCGTAGCTCTTCTGGGCAGCTCGTAGCTCTTCT

인간 각막 내피 세포주 세포 배양Human Corneal Endothelial Cell Line Cell Culture

hCEC-B4G12 세포주 배양을 위해, 코팅된 세포 배양 접시를 10 ㎍/mL 라미닌(Sigma) 및 10 ng/mL 콘드로이틴 설페이트(Sigma)를 사용하여 준비하였다. 제조자의 지시에 따라, 세포를 10 ng/mL 인간 재조합 섬유아세포 성장인자 (FGF)-2를 함유하는 인간 내피 무혈청 배지 (SFM; Gibco, Carlsbad, CA)에서 배양하였다. 37℃에서 2분 동안 0.25 % 트립신/EDTA (Welgene)를 사용하여 세포를 계대배양하였다. 프로테아제 인히비터 칵테일(protease inhibitor cocktail, Sigma)로 효소 활성을 차단하였다.For hCEC-B4G12 cell line culture, coated cell culture dishes were prepared using 10 μg/mL laminin (Sigma) and 10 ng/mL chondroitin sulfate (Sigma). According to the manufacturer's instructions, cells were cultured in human endothelial serum-free medium (SFM; Gibco, Carlsbad, CA) containing 10 ng/mL human recombinant fibroblast growth factor (FGF)-2. Cells were subcultured using 0.25% trypsin/EDTA (Welgene) at 37° C. for 2 minutes. Enzyme activity was blocked with a protease inhibitor cocktail (Sigma).

인간 유도만능줄기세포(iPSC) 배양 및 iPSC-유래된 각막내피세포 분화Human induced pluripotent stem cell (iPSC) culture and iPSC-derived corneal endothelial cell differentiation

가톨릭대학교에서 제공한 국립줄기세포은행(국립보건원)으로부터 인간줄기세포주 CMC-hiPSC-003을 수득하였다. 상기 세포를 growth factor-reduced Matrigel (Gibco, Carlsbad, USA)이 코팅된 세포 배양 플레이트상에서 배양하고, 제조사의 지시에 따라 TeSR-E8 배지 (Stem Cell Technology, Vancouver, Canada)를 사용하여 유지시켰다. 본 발명에서는 각막내피세포로 분화시키기 위해 이전 프로토콜(Wagoner et al. 2018)을 약간 수정하였다.The human stem cell line CMC-hiPSC-003 was obtained from the National Stem Cell Bank (National Institute of Health) provided by the Catholic University of Korea. The cells were cultured on a cell culture plate coated with growth factor-reduced Matrigel (Gibco, Carlsbad, USA) and maintained using TeSR-E8 medium (Stem Cell Technology, Vancouver, Canada) according to the manufacturer's instructions. In the present invention, the previous protocol (Wagoner et al. 2018) was slightly modified to differentiate into corneal endothelial cells.

간략하게는, 인간 유도만능줄기세포(iPSC)를 Gentle cell dissociation reagent (Gibco)을 사용하여 계대배양하고, 다음날, 배지를 DMEM/F12 (Gibco), 2 % bovine serum albumin (Sigma), 2 mM GlutaMAX (Gibco), 0.1 mM MEM non-essential amino acid solution (Gibco), 1×trace elements A, B, 및 C (Gibco), 0.1 mM 2-mercaptoethanol (Gibco), 50 μg/mL (+)-sodium L-ascorbate (Sigma), 10 μg/mL transferrin (Sigma), 10 ng/mL recombinant human Heregulin β-1 (Peprotech; Rocky Hill, USA), 200 ng/mL recombinant human LONGR3 IGF-I (Sigma), 8 ng/mL recombinant human FGF2 (Peprotech), 및 0.2 % primocin (InvivoGen; San Diego, USA)를 함유하는 분화 기본배지로 교체하였다. 초기 단계로서, 인간 유도만능줄기세포(iPSC)를 기본배지에 10 μM SB431542 (Cayman Chemical, Ann Arbor, MI) 및 3 μM CHIR99021 (Miltenyi Biotec, Bergish Glabach, Germany)를 첨가하여 17일 동안 배양시켜 신경능세포(neural crest cells)로 유도하였다. 배지는 매일 교체해 주었다. 이후, CEC 유도 배지로 교체하였다. CEC 유도 배지는 기본배지 및 CEC 인자로 이루어져 있으며, CEC 인자는 0.1×B27 (Gibco), 10 ng/mL recombinant human PDGF-BB (Peprotech), 및 10 ng/mL recombinant human DKK-2 (Peprotech)를 포함한다. CEC 유도 배지는 30 일 동안 매일 교체해 주었다.Briefly, human induced pluripotent stem cells (iPSCs) were subcultured using Gentle cell dissociation reagent (Gibco), and the next day, the medium was mixed with DMEM/F12 (Gibco), 2% bovine serum albumin (Sigma), and 2 mM GlutaMAX. (Gibco), 0.1 mM MEM non-essential amino acid solution (Gibco), 1×trace elements A, B, and C (Gibco), 0.1 mM 2-mercaptoethanol (Gibco), 50 μg/mL (+)-sodium L -ascorbate (Sigma), 10 μg/mL transferrin (Sigma), 10 ng/mL recombinant human Heregulin β-1 (Peprotech; Rocky Hill, USA), 200 ng/mL recombinant human LONGR3 IGF-I (Sigma), 8 ng /mL recombinant human FGF2 (Peprotech), and 0.2% primocin (InvivoGen; San Diego, USA) was replaced with a basal differentiation medium containing. As an initial step, human induced pluripotent stem cells (iPSCs) were cultured for 17 days with the addition of 10 μM SB431542 (Cayman Chemical, Ann Arbor, MI) and 3 μM CHIR99021 (Miltenyi Biotec, Bergish Glabach, Germany) in a basal medium. It was induced into neural crest cells. The medium was changed daily. Then, it was replaced with CEC induction medium. The CEC induction medium consists of a basal medium and CEC factors, and the CEC factors are 0.1×B27 (Gibco), 10 ng/mL recombinant human PDGF-BB (Peprotech), and 10 ng/mL recombinant human DKK-2 (Peprotech). include The CEC induction medium was replaced daily for 30 days.

탈세포화된 이식편의 재세포화Recellularization of Decellularized Grafts

탈세포화된 데스메막박리 각막내피층판(DSE)을 롤링 방향을 아래로하여 48 웰 디쉬 상에 편평하게 놓고 40℃에서 밤새 건조 챔버에서 인큐베이션 하였다. hCEC-B4G12 세포주 또는 유도만능줄기세포(iPSC)를 수확하고, 세포 현탁액을 추가적인 세포외 기질 없이 0.5 mL의 배지에서 3×105 cells 최종 농도로 하여 이식편 상에 시딩(seeding)하였다. 시드된 스캐폴드를 정적 조건 하에서 5% CO2를 함유한 가습조건(humidified atmosphere)에서 37℃에서 7 일 동안 배양하였다. 배지는 매일 교체해 주었다.The decellularized Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate (DSE) was placed flat on a 48-well dish with the rolling direction facing down and incubated in a drying chamber at 40°C overnight. The hCEC-B4G12 cell line or induced pluripotent stem cells (iPSCs) were harvested, and the cell suspension was seeded on the graft to a final concentration of 3×10 5 cells in 0.5 mL of medium without additional extracellular matrix. The seeded scaffolds were incubated for 7 days at 37° C. in a humidified atmosphere containing 5% CO 2 under static conditions. The medium was changed daily.

세포 염색cell staining

유도만능줄기세포(iPSC)로부터 분화된 각막내피세포(iCEC)의 면역세포화학적 검출을 위해, 마우스 및 래빗 특이적 HRP/DAB (ABC) 검출 키트 (Abcam, Cambridge, UK)를 제조사의 지시에 따라 사용하였다. P75/NGF 수용체 (Cell signaling Technology, Danvers, MA), Sox10 (Cell Signaling Technology), N-cadherin (Cell Signaling Technology), ZO-1 (Invitrogen, Carlsbad, CA) 및 Na+/K+ 펌프 (Millipore, MA, Burlington, MA)에 대한 1차 항체를 각막내피세포(CEC)에 사용하였다. 이식편에서 재분화된 세포의 생존력을 확인하기 위해, a live/dead cell viability/cytotoxicity assay kit(Thermo, MA, Waltham, MA)를 제조사의 프로토콜에 따라 사용하였다. 슬라이드 유리상의 염색된 조직의 영상화를 위해, z-적층된 이미지를 fluorescence imager(LionHeart FX)를 사용하여 처리 하였다.For immunocytochemical detection of corneal endothelial cells (iCECs) differentiated from induced pluripotent stem cells (iPSCs), mouse and rabbit-specific HRP/DAB (ABC) detection kits (Abcam, Cambridge, UK) were prepared according to the manufacturer's instructions. was used. P75/NGF receptor (Cell signaling Technology, Danvers, MA), Sox10 (Cell Signaling Technology), N-cadherin (Cell Signaling Technology), ZO-1 (Invitrogen, Carlsbad, CA) and Na+/K+ pump (Millipore, MA, A primary antibody against Burlington, MA) was used for corneal endothelial cells (CECs). To confirm the viability of the redifferentiated cells from the graft, a live/dead cell viability/cytotoxicity assay kit (Thermo, MA, Waltham, MA) was used according to the manufacturer's protocol. For imaging of stained tissue on glass slides, z-stacked images were processed using a fluorescence imager (LionHeart FX).

조직 공학적 데스메막박리 각막내피층판(DSE) 이식을 이용한 데스메막 각막내피이식술(DSEK)Descemet's corneal endothelial transplantation (DSEK) using tissue engineered Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate (DSE) transplantation

유도각막내피세포(iCEC)-재세포화된 데스메막박리 각막내피층판(DSE) 이식편이 각막 내부 표면에 위치할 수 있는지 확인하기 위해, 이식편을 명확한 각막 절개를 통해 적출된 돼지 눈의 전방 챔버에 삽입하였다. 8-0 나일론 (NJ, Somerville, Ethicon)을 사용하여 각막 봉합사를 적용한 후, 기포 및 균형 잡힌 염용액을 30G 캐뉼라를 사용하여 주사하였다. 삽입된 이식편의 위치를 확인하기 위해 초음파 촬영 (ProSound Alpha7; Hitachi Healthcare Americas, OH 트윈스 버그)을 수행하였다.To confirm that an induced corneal endothelial cell (iCEC)-recellularized Descemet's corneal endothelial plate (DSE) graft can be placed on the inner surface of the cornea, the graft is inserted through a clear corneal incision into the anterior chamber of the enucleated pig eye. did. After application of corneal sutures using 8-0 nylon (NJ, Somerville, Ethicon), air bubbles and a balanced salt solution were injected using a 30G cannula. Ultrasonography (ProSound Alpha7; Hitachi Healthcare Americas, Twinsburg OH) was performed to confirm the position of the implanted graft.

통계분석statistical analysis

실험 데이터는 p-값 (.05)을 갖는 분산 분석 (ANOVA) 및 GraphPad Prism7 통계 프로그램 (San Diego, CA)에 의해 통계적으로 분석되었다.Experimental data were analyzed statistically by analysis of variance (ANOVA) with p-value (.05) and GraphPad Prism7 statistical program (San Diego, CA).

2. 결과2. Results

데스메막박리 각막내피층판(DSE) 이식편의 투명도 및 두께Transparency and thickness of Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate (DSE) graft

순차적인 단계에 따라 각 방법에서 각막의 총 모양을 관찰하였다(도 2, Method A 및 Method B). 돼지 눈에서 전체 두께의 각막을 제거한 후 사진을 촬영하였다(도 2A, Method A(a)). 방법 A에서, 신선한 각막으로부터 데스메막박리 각막내피층판(DSE)을 분리하여 사진을 찍고(도 2A, Method A(b)), 0.1% SDS에서 5시간 및 10시간 동안 탈세포화하였다. 5시간 동안 탈세포화시킨 DSE(도 2A, Method A(c)), 10시간 탈세포화시킨 DSE(도 2A, Method A(d))를 비교한 결과 탈세포화 시간이 증가함에 따라 투명성이 크게 감소하는 것으로 나타났다. 한편, 방법 B에서, 데스메막(DM) 및 후방 기질의 양 끝부분 영역을 12mm 생검 펀치를 이용하여 절개(incision)한 완전 두께의 각막(도 2A, Method B(a))은 5시간 동안 0.1% SDS에 의해 탈세포화로 인해 투명도가 현저하게 감소한 것으로 나타났다(도 2A, Method B(b)). 전체 두께의 각막을 5시간 동안 0.1% SDS에 침지시킨 직후에 분리된 DSE 이식편은 매우 투명한 것으로 나타났다(도 2A, Method B(c)). 상기 DSE 이식편을 10시간 동안 0.1% SDS에서 탈세포화시킨 경우 탈세포화 전 DSE와 비교하여 투명성이 시각적으로 감소하지 않았다(도 2A, Method B(d)). 특히, 방법 B에서 탈세포화 전 DSE 이식편 대비 탈세포화를 거친 DSE 이식편에서 아래 알파벳 문자가 더 잘 보이는 것으로 나타났다.The total shape of the cornea was observed in each method according to sequential steps (FIG. 2, Method A and Method B). After removing the cornea of full thickness from the pig's eye, pictures were taken (FIG. 2A, Method A(a)). In method A, Descemet's detachment corneal endothelial plate (DSE) was isolated from fresh cornea, photographed (FIG. 2A, Method A(b)), and decellularized in 0.1% SDS for 5 h and 10 h. As a result of comparing DSE decellularized for 5 hours (FIG. 2A, Method A(c)) and DSE decellularized for 10 hours (FIG. 2A, Method A(d)), transparency significantly decreased as the decellularization time increased. appeared to be On the other hand, in method B, the cornea of full thickness (Fig. 2A, Method B(a)), in which both ends of the Descemet's membrane (DM) and the posterior stroma were incised using a 12 mm biopsy punch, was 0.1 for 5 hours. Transparency was significantly reduced due to decellularization by % SDS (Fig. 2A, Method B(b)). The detached DSE graft immediately after immersion of the full-thickness cornea in 0.1% SDS for 5 hours appeared to be very transparent (Fig. 2A, Method B(c)). When the DSE grafts were decellularized in 0.1% SDS for 10 hours, there was no visual decrease in transparency compared to DSE before decellularization (Fig. 2A, Method B(d)). In particular, in method B, it was found that the lower alphabetic letters were more visible in the DSE grafts that had undergone decellularization compared to the DSE grafts before decellularization.

방법의 종류에 따른 각 단계별 이식편의 투명도를 분석하였다. 자세한 결과는 하기 표 2 및 도 2B에서 자세히 나타내었다.Transparency of each step according to the type of method was analyzed. Detailed results are shown in detail in Table 2 and FIG. 2B below.

방법의 종류에 따른 각 단계별 이식편의 투명도 (*p< .05)Transparency of the graft at each stage according to the type of method (*p< .05) 방법 AMethod A 단계step 전체 두께 0hTotal thickness 0h DSE 0hDSE 0h 탈세포화 5h5 h of decellularization 탈세포화 10h10 h of decellularization 투명도(%)transparency(%) 84.9±10.884.9±10.8 93.9±2.193.9±2.1 90.7±9.990.7±9.9 69.8±4.8*69.8±4.8* 방법 BMethod B 단계step 전체 두께 0hTotal thickness 0h 탈세포화 5h5 h of decellularization DSE 0hDSE 0h 탈세포화 10h10 h of decellularization 투명도(%)transparency(%) 87.7±6.887.7±6.8 41.8±2.5*41.8±2.5* 95.8±2.195.8±2.1 90.0±5.090.0±5.0

*p< .05*p< .05

방법 A에서 전체 각막 조직의 투명도는 84.9 ± 10.8%로 나타났으며, DSE의 투명도는 93.9 ± 2.1%, 5시간 탈세포화시킨 DSE 투명도는 90.7 ± 9.9%, 10시간 탈세포화시킨 DSE 투명도는 69.8 ± 4.8%인 것으로 나타났다. In method A, the transparency of the entire corneal tissue was 84.9 ± 10.8%, the transparency of DSE was 93.9 ± 2.1%, the transparency of DSE after 5 hours of decellularization was 90.7 ± 9.9%, and the transparency of DSE after 10 hours of decellularization was 69.8 ± It was found to be 4.8%.

한편, 방법 B에서 전체 각막 조직의 투명도는 87.7 ± 6.8%, 전체 각막을 5시간 동안 탈세포화시킨 경우 투명도가 41.8 ± 2.5%로 나타났다. 이후, 전체 각막으로부터 분리시킨 DSE의 투명도는 95.8 ± 2.1%로 나타났으며, 10시간 동안 탈세포화시킨 DSE 투명도는 90.0 ± 5.0 %으로 나타났다. Meanwhile, in method B, the transparency of the entire corneal tissue was 87.7 ± 6.8%, and when the entire cornea was decellularized for 5 hours, the transparency was 41.8 ± 2.5%. Thereafter, the transparency of DSE isolated from the entire cornea was 95.8 ± 2.1%, and the transparency of DSE decellularized for 10 hours was 90.0 ± 5.0%.

방법 A 및 방법 B 모두, 탈세포화 시간이 길어질수록 수분 흡수에 따른 투명도가 낮아지는 것으로 나타났다. 한편, 10시간의 탈세포화를 마치고 최종적으로 수득되는 DSE의 투명도의 경우, 방법 A 대비 방법 B가 두드러지게 우수한 것을 보여주었다. 특히, 방법 B를 통해 수득되는 탈세포화 완료된 DSE의 경우 90.0 ± 5.0 % 투명도를 보여주고 있으며, 이러한 수치는 대조군하고 거의 유사한 수치를 보여주었다(도 2B 참조). 참고로, 대조군으로는 투명한 슬라이드 유리를 사용하였다.In both method A and method B, it was found that the longer the decellularization time, the lower the transparency due to water absorption. On the other hand, in the case of the transparency of DSE finally obtained after 10 hours of decellularization, it was shown that method B was remarkably superior to method A. In particular, in the case of the decellularized DSE obtained through method B, it shows 90.0 ± 5.0% transparency, and this value shows a value almost similar to that of the control (see FIG. 2B). For reference, a transparent slide glass was used as a control.

또한, 방법의 종류에 따른 각 단계별 이식편의 두께를 분석하였다. 자세한 결과는 도 2C에서 자세히 나타내었다.In addition, the thickness of the graft at each stage according to the type of method was analyzed. Detailed results are shown in detail in FIG. 2C.

그 결과, 각막 전체 두께는 1240 ± 225 μm이고, 전체 각막을 10시간 동안 탈세포시키는 경우 두께가 4237 ± 423 μm인 것으로 나타났다. 이러한 결과는 전체 두께의 각막이 0.1% SDS에서 탈세포화 동안 물을 함유하여 두께가 3배 이상 증가한 것을 보여준다.As a result, the total corneal thickness was 1240 ± 225 μm, and when the entire cornea was decellularized for 10 hours, it was found to be 4237 ± 423 μm. These results show that the cornea of full thickness contained water during decellularization in 0.1% SDS, resulting in a more than 3-fold increase in thickness.

방법 A에서, DSE 두께는 172.9 ± 102 μm이고, 10시간 동안 탈세포화시킨 DSE 두께는 233.4 ± 12 μm로 나타나, 탈세포화 동안 두께가 증가하였다. 방법 B에서, DSE 두께는 70.17 ± 23㎛이고 10시간 동안 탈세포화시킨 DSE 두께는 113.0 ± 35㎛인 것으로 나타났다. 방법 B에서의 탈세포화 완료된 DSE의 두께는 방법 A의 탈세포화 완료된 DSE 두께의 50 % 미만으로, 대략 48.5 %인 것으로 나타났다.In method A, the DSE thickness was 172.9±102 μm, and the DSE thickness after 10 h of decellularization was 233.4±12 μm, which increased during decellularization. In method B, the DSE thickness was found to be 70.17 ± 23 μm and the DSE thickness after 10 h of decellularization was 113.0 ± 35 μm. The thickness of the decellularized DSE in method B was found to be less than 50% of the thickness of the decellularized DSE in method A, approximately 48.5%.

이러한 결과는, 방법 B를 통해 제조된 탈세포화시킨 DSE가 방법 A를 통해 제조된 탈세포화시킨 DSE 대비 수분을 덜 보유하기 때문에, 기질이 적다는 것을 시사한다. These results suggest that the decellularized DSE prepared through method B has less substrate because it retains less water than the decellularized DSE prepared through method A.

결과적으로, 방법 B를 통해 제조된 탈세포화시킨 데스메막박리 각막내피층판(DSE)이 높은 투명도 및 얇은 두께로 인해 인공 DSE 이식편으로 적합한 것을 알 수 있었다.As a result, it was found that the decellularized Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate (DSE) prepared by method B was suitable as an artificial DSE graft due to its high transparency and thin thickness.

탈세포화를 위한 최적 조건Optimal conditions for decellularization

데스메막박리 각막내피층판(DSE) 이식편의 최적 탈세포화 시간을 확인하기 위해, DAPI 염색을 실온에서 0.1% SDS에서 0 시간, 4 시간, 6 시간 및 10 시간 동안 탈세포화에 사용하였다. 탈세포화 후 4 시간에서 6 시간이 경과하는 경우 세포가 서서히 사라지는 것으로 나타났으며, 10 시간이 되었을 때 세포가 완전히 사라진 것을 확인할 수 있었다(도 3A 참조).To determine the optimal decellularization time of Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate (DSE) grafts, DAPI staining was used for decellularization for 0 h, 4 h, 6 h and 10 h in 0.1% SDS at room temperature. When 4 to 6 hours elapsed after decellularization, the cells appeared to disappear slowly, and it was confirmed that the cells completely disappeared when 10 hours had elapsed (see FIG. 3A ).

다음으로, 탈세포화를 위한 온도를 최적화하기 위해 다른 조건을 일정하게 유지하면서 온도 조건 (4℃ vs. RT)을 변경하였다. 각각의 온도에서 10 시간 동안 탈세포화시켰을 때, 4℃에서 탈세포화를 진행한 경우 세포가 유지된 반면, 실온(RT)에서 탈세포화를 진행한 경우 세포가 완전히 제거된 것으로 나타났다(도 3B 참조). 탈세포화 정도는 실온 조건이 4℃ 보다 훨씬 효과적인 것으로 나타났다. SDS에 의한 세포 파괴는 4℃보다 실온에서 상대적으로 더 활발한 것으로 추정되었다. Next, the temperature conditions (4°C vs. RT) were changed while other conditions were kept constant to optimize the temperature for decellularization. When decellularization was performed at each temperature for 10 hours, cells were maintained when decellularization was performed at 4°C, whereas cells were completely removed when decellularization was performed at room temperature (RT) (see Fig. 3B). . The degree of decellularization was found to be much more effective at room temperature than at 4°C. Cell destruction by SDS was estimated to be relatively more active at room temperature than at 4°C.

본 실험에서는 또한, 탈세포화 과정을 통해 돼지 유래 면역원성 항원이 유지되는지 여부를 확인하였다. 그 결과 도 3C에서 나타낸 바와 같이, PERV, PERV 중합 효소, SLA-DRA, SLA-2 및 돼지 베타-액틴의 DNA 서열은 무손상 이식편과 달리 탈세포화된 이식편에서 검출되지 않은 것으로 나타났다. 이러한 결과를 통해 0.1% SDS에서 10시간 동안 탈세포화 과정이 제대로 이루어진 것을 확인할 수 있었다.In this experiment, it was also confirmed whether the pig-derived immunogenic antigen was maintained through the decellularization process. As a result, as shown in FIG. 3C , the DNA sequences of PERV, PERV polymerase, SLA-DRA, SLA-2 and porcine beta-actin were not detected in decellularized grafts, unlike intact grafts. Through these results, it was confirmed that the decellularization process was properly performed in 0.1% SDS for 10 hours.

한편, 방법 B로 제조된 탈세포화된 데스메막박리 각막내피층판(DSE) 이식편이 온전한 각막과 비교하여 온전한 데스메막(DM) 및 후방 기질(posterior stromal) 구조를 유지함을 헤마톡실린 및 에오신(H & E) 염색법을 통해 확인하였다(도 4A). 본 발명에서는 0.1% SDS 농도를 사용하였으나, 일부 이전의 연구에서는 완전 두께 각막의 탈세포화를 위해 1% SDS 사용이 보고된바 있다(Du et al. 2011, He et al. 2016). 따라서, 본 발명자들은 1% SDS와 0.1% SDS 농도에서의 탈세포화 정도를 비교하였다. 결과적으로, 1% SDS를 이용하여 탈세포화를 진행한 경우 데스메막(DM)의 구조가 파괴되고 기질의 매트릭스도 변형되는 것으로 나타났다. 한편, 상기 두 가지 SDS 농도 조건 모두에서 세포가 제거된 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해, 0.1% SDS가 구조적 열화없이 데스메막박리 각막내피층판(DSE) 이식편을 탈세포화 하기에 우수함을 알 수 있었다. On the other hand, hematoxylin and eosin (H) in that the decellularized Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate (DSE) graft prepared by method B maintains the intact Descemet's membrane (DM) and posterior stromal structures compared to the intact cornea. & E) was confirmed by staining (FIG. 4A). In the present invention, 0.1% SDS concentration was used, but in some previous studies, the use of 1% SDS was reported for decellularization of full thickness cornea (Du et al. 2011, He et al. 2016). Therefore, we compared the degree of decellularization at concentrations of 1% SDS and 0.1% SDS. As a result, it was found that when decellularization was performed using 1% SDS, the structure of the Descemet's membrane (DM) was destroyed and the matrix of the substrate was also modified. On the other hand, it was confirmed that cells were removed in both of the SDS concentration conditions. Through these results, it was found that 0.1% SDS was excellent for decellularization of Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate (DSE) grafts without structural deterioration.

메이슨 트리크롬(Masson's trichrome) 염색법을 사용하여 콜라겐 매트릭스를 측정한 결과, 0.1% SDS를 사용하여 탈세포화된 데스메막박리 각막내피층판(DSE) 이식편에서 콜라겐 매트릭스가 남아있는 반면, 기질의 돼지 세포는 탈세포화 후에 제거됨을 확인하였다(도 4B 참조).As a result of measuring the collagen matrix using the Masson's trichrome staining method, the collagen matrix remained in the Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate (DSE) graft decellularized using 0.1% SDS, whereas the porcine cells in the stroma were It was confirmed that it was removed after decellularization (see FIG. 4B).

탈세포화된 데스메막박리 각막내피층판(DSE) 이식편의 재세포화 가공화 조건Conditions for recellularization and processing of decellularized Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate (DSE) grafts

본 실험에서는 투명하고, 초박막이며 균질하게 재세포화된 DSE 이식편을 생산하기 위해, 세포 시딩(seeding)을 위한 이식 조건을 최적화하였다. 습식의 탈세포화된 DSE 이식편이 세포 시딩을 위한 배지에서 배양 플레이트에 배치될 때, 이식편이 팽창되어 12 시간 내에 두껍게 되고 불투명해지기 시작했다. 또한, 습식 이식편은 배지에서 쉽게 부유하고 말려서 세포 시딩(seeding)에 어려움이 있음을 발견 하였다(도 5A 참조). In this experiment, the transplantation conditions for cell seeding were optimized to produce transparent, ultrathin and homogeneously recellularized DSE grafts. When the wet, decellularized DSE grafts were placed on culture plates in medium for cell seeding, the grafts swelled and began to thicken and become opaque within 12 hours. In addition, it was found that wet grafts were easily suspended in the medium and dried, making it difficult for cell seeding (see Fig. 5A).

따라서 이식편을 다양한 온도(-70, 40 및 60℃) 조건에서 건조해 보았다. 그 결과, 40℃에서 밤새 건조시킨 경우, 롤링 상태가 사라지고 투명도가 증가하는 것을 확인하였다. 한편, 60℃에서 건조된 이식편은 수축되었으며, -70℃에서 동결 건조된 이식편은 불투명하고, 수축되었으며, 플레이트로부터 분리되는 것을 확인하였다(도 5B 참조).Therefore, the grafts were dried at various temperatures (-70, 40 and 60° C.). As a result, when drying overnight at 40 ℃, it was confirmed that the rolling state disappears and transparency increases. On the other hand, it was confirmed that the graft dried at 60 ° C. shrunk, and the graft dried at -70 ° C. was opaque, shrunk, and separated from the plate (see Fig. 5B).

세포 시딩(seeding) 후 습식 대 건식 DSE 이식편의 투명성, 두께, 롤링 및 세포 부착 정도를 비교하기 위해, hCEC-B4G12 세포를 이식편에 재세포화하고, 7일 동안 배양하였다. 건식 DSE 이식편의 경우 배양 중에 이식편이 말리거나(롤링), 뜨거나 부풀어 오르지 않았다. 또한, 습식 이식편과 달리 투명도가 현저히 우수한 것으로 나타났다(도 5C 참조).To compare the transparency, thickness, rolling, and degree of cell adhesion of wet versus dry DSE grafts after cell seeding, hCEC-B4G12 cells were recellularized into the grafts and cultured for 7 days. For dry DSE grafts, the grafts did not curl (roll), float, or swell during incubation. In addition, unlike the wet graft, it was found that the transparency was remarkably excellent (see FIG. 5C ).

슬라이드 글래스에 재세포화된 DSE 이식편의 전체적인 외관에서, 건조 이식편의 투명도는 대조군과 유사하게 나타났으며, 이는 습식 이식편의 투명도보다 훨씬 높은 것을 알 수 있었다(그림 5D 참조).In the overall appearance of the recellularized DSE grafts on slide glass, the transparency of the dry graft was similar to that of the control, which was much higher than that of the wet graft (see Fig. 5D).

또한, 본 발명자들은 조직학적으로 재세포화된 건조 이식편이 습식 이식편보다 훨씬 얇다는 것을 확인하였다. 투명도 분석은 대조군을 기준으로 건식 이식편이 91.8 ± 2.38 % 인 반면, 습식 이식편 단지 50.6 ± 6.38 %인 것으로 나타났다(도 5E).In addition, the present inventors histologically confirmed that the recellularized dry grafts were much thinner than the wet grafts. Clarity analysis showed that, relative to the control group, dry grafts were 91.8±2.38%, while wet grafts were only 50.6±6.38% ( FIG. 5E ).

다음으로, 건식 및 습식 조건에서 세포의 분포, 부착 및 생존율을 평가하기 위해 재세포화된 이식편의 살아있는 세포(녹색)/죽은 세포(적색) 염색을 수행하였다. 건식 이식편에 재분배된 세포의 대부분은 생존, 부착 및 분포되어 있는 것으로 나타났다. 반면에, 습식 이식편에 재분배된 세포는 고르게 분포되어 부착되지 못한 것으로 나타났다(도 5F). 이와 같은 이유는, 배양 배지에서 이식편의 말림(rolling)와 부유(floating) 때문일 것으로 사료되었다.Next, live (green)/dead cell (red) staining of the recellularized explants was performed to evaluate the distribution, adhesion and viability of cells in dry and wet conditions. Most of the redistributed cells in the dry graft appeared to be viable, adherent and distributed. On the other hand, the cells redistributed to the wet graft were evenly distributed and did not appear to adhere (FIG. 5F). This reason was considered to be due to the rolling and floating of the graft in the culture medium.

마지막으로, 재세포화된 이식편의 두께를 비교하였다. 재세포화 전에, 방법 B에 의해 제조된 습식 및 건식 이식편의 두께는 각각 113 ± 0.35 μm 및 57.6 ± 7.92 μm로 나타났다. 한편, 배양 7 일 후, 습식 이식편의 두께는 222.6 ± 24.2 μm로 증가한 반면, 건식 이식편은 99.2 ± 5.98 μm로 나타나 초박막인 것을 확인하였다(도 5G).Finally, the thickness of the recellularized grafts was compared. Before recellularization, the thicknesses of wet and dry grafts prepared by method B were 113 ± 0.35 μm and 57.6 ± 7.92 μm, respectively. On the other hand, after 7 days of culture, the thickness of the wet graft increased to 222.6 ± 24.2 μm, while the dry graft showed 99.2 ± 5.98 μm, confirming that it was an ultra-thin film (FIG. 5G).

상기와 같은 결과를 통해, 세포 시딩(seeding) 전에 40℃에서 DSE 이식편을 건조하는 과정을 거치는 것이, 재세포화 이식편의 투명도와 초박형을 유지하는데 매우 효과적이라는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 건조 이식편을 사용하는 것이 세포가 균질하게 재분배된 이식편을 생성하는데 우수하였다.Through the above results, it was confirmed that drying the DSE graft at 40° C. before cell seeding is very effective in maintaining the transparency and ultra-thinity of the recellularized graft. Also, the use of dry grafts was superior to producing grafts in which cells were homogeneously redistributed.

데스메막박리 각막내피층판(DSE) 이식편에서 유도만능줄기세포로부터 분화된 각막내피세포(iCECs)의 재세포화Recellularization of Differentiated Corneal Endothelial Cells (iCECs) from Induced Pluripotent Stem Cells in Descemet's Membrane Detachment Corneal Endothelial Plate (DSE) Grafts

인간 유도만능줄기세포(iPSC)로부터 각막내피세포(CEC)를 생산하기 위해, 첫 번째 단계로서, 인간 유도만능줄기세포(iPSC)를 신경능선유사세포(neural crest-like cells, NCC)로 분화시켰다. 그 결과, 인간 유도만능줄기세포(iPSC)의 군집 상태(도 6A, D0)는 없어지고 형태는 길쭉한 구조로 바뀌었다. 신경능선유사세포(NCC)는 3일 동안 SB431542 및 CHIR99021을 첨가하여 생산되었으며, 약 17 일 동안 신경능선세포 표현형을 유지할 수 있었다(도 6A, D13). 다음 단계로, 신경능선유사세포(NCC)는 B27, PDGF-BB 및 DKK-2에 노출되어 5일 이내에 6각형의 모양이 단단한 각막내피세포(CEC)와 같은 분화를 일으켰다(그림 6A, D22). 유도 후 3 내지 17일에, p75/신경성장인자 수용체(NGFR) 및 SRY-박스 전사인자 10 (SOX10)의 NCC 마커가 양성으로 발현되었다. 각막내피세포(CEC) 분화 23 일에, N- 카드헤린(N-Cad), 졸라오클루덴스-1 (ZO-1) 및 Na+/K+ ATPase 마커의 발현이 확인되었다(도 6B 참조).To produce corneal endothelial cells (CECs) from human induced pluripotent stem cells (iPSCs), as a first step, human induced pluripotent stem cells (iPSCs) were differentiated into neural crest-like cells (NCCs). . As a result, the colony state (FIG. 6A, D0) of human induced pluripotent stem cells (iPSCs) disappeared and the shape was changed to an elongated structure. Neural crest-like cells (NCC) were produced by adding SB431542 and CHIR99021 for 3 days, and were able to maintain the neural crest cell phenotype for about 17 days ( FIGS. 6A and D13 ). As a next step, neural crest-like cells (NCCs) were exposed to B27, PDGF-BB, and DKK-2 to induce a hexagonal rigid corneal endothelial cell (CEC)-like differentiation within 5 days (Figure 6A, D22). . From 3 to 17 days after induction, NCC markers of p75/nerve growth factor receptor (NGFR) and SRY-box transcription factor 10 (SOX10) were expressed positively. On day 23 of corneal endothelial cell (CEC) differentiation, expression of N-cadherin (N-Cad), Zolaocludens-1 (ZO-1) and Na+/K+ ATPase markers was confirmed (see FIG. 6B ).

배양 7일 후, iCEC-재세포화된 이식편은 hCEC-B4G12 재세포화된 이식편과 유사하게 투명하고 매우 얇은 것으로 나타났다(도 6C). 재세포화된 iCEC가 고르게 퍼지고, 대부분의 세포가 살아남 았으며, hCEC 라인과 유사한 건조 DSE 이식편에 잘 부착되어 있음을 확인하였다(그림 6D). 재세포화된 이식편의 H & E 염색은 초박형 DSE 이식편에 분포된 얇은 iCEC 층을 보여주었다(도 6E). 배양하는 동안, 두께는 초박형으로 유지되었으며, 구조적 변형은 나타나지 않았다.After 7 days of culture, the iCEC-recellularized grafts appeared clear and very thin, similar to the hCEC-B4G12 recellularized grafts ( FIG. 6C ). It was confirmed that the recellularized iCECs spread evenly, most of the cells survived, and adhered well to the dry DSE grafts similar to hCEC lines (Figure 6D). H&E staining of the recellularized grafts revealed a thin iCEC layer distributed in the ultrathin DSE grafts (Fig. 6E). During incubation, the thickness remained ultra-thin, and no structural deformation was observed.

본 실험에서는 재세포화된 이식편 및 제핵된(enucleated) 돼지 눈을 사용하여 데스메막박리 각막내피층판 이식술(DSEK)를 시연하였다. 데스메막(DM) 및 내피(endothelium) 층이 제거된 돼지 눈의 전방 챔버 내로 재세포화된 이식편을 삽입한 후, 이식편을 각막의 내부에 위치시켰다(도 6F).In this experiment, Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate grafting (DSEK) was demonstrated using recellularized grafts and enucleated pig eyes. After insertion of the recellularized graft into the anterior chamber of a porcine eye from which the Descemet's membrane (DM) and endothelium layers were removed, the graft was placed inside the cornea ( FIG. 6F ).

이러한 결과는 본 발명의 DSE 이식편이 줄기세포를 사용하여 투명성 및 초박형 인공 DSE 이식편을 생성하는데 유리하다는 것을 시사하였다.These results suggested that the DSE graft of the present invention is advantageous for generating transparent and ultra-thin artificial DSE grafts using stem cells.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been looked at with respect to preferred embodiments thereof. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in modified forms without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

DSE: Descemet stripping endothelial
iPSC: induced pluripotent stem cell
iCECs: induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived corneal endothelial cells
CED: Corneal endothelial dystrophy
FECD: Fuchs endothelial corneal dystrophy
DM: Descemet’s membrane
CEC: corneal endothelial cell
PK: penetrating keratoplasty
EK: endothelial keratoplasty
ROCK: Rho kinase
DLEK: deep lamellar endothelial keratoplasty
DSEK: Descemet’s stripping endothelial keratoplasty
DMEK: Descemet membrane endothelial keratoplasty
DSE: Descemet stripping endothelial
iPSC: induced pluripotent stem cell
iCECs: induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived corneal endothelial cells
CED: Corneal endothelial dystrophy
FECD: Fuchs endothelial corneal dystrophy
DM: Descemet's membrane
CEC: corneal endothelial cell
PK: penetrating keratoplasty
EK: endothelial keratoplasty
ROCK: Rho kinase
DLEK: deep lamellar endothelial keratoplasty
DSEK: Descemet's stripping endothelial keratoplasty
DMEK: Descemet membrane endothelial keratoplasty

Claims (8)

a) 동물의 각막을 준비하는 단계;
b) 상기 각막에서 각막내피(corneal endothelium), 데스메막(Descemet membrane) 및 후방 기질(posterior stroma)의 양 끝부분을 생검 펀치를 이용하여 절개(incision)한 후 탈세포화시키는 단계;
c) 탈세포화된 각막에서 데스메막박리 각막내피층판을 박리하는 단계;
d) 박리된 데스메막박리 각막내피층판을 탈세포화시키는 단계; 및
e) 탈세포화된 데스메막박리 각막내피층판을 건조시키는 단계를 포함하는, 각막내피세포 이식용 인공 지지체 제조방법.
a) preparing the animal's cornea;
b) decellularizing both ends of the corneal endothelium, Descemet membrane and posterior stroma in the cornea using a biopsy punch and then decellularizing;
c) exfoliating the Descemet's Membrane Endothelial Plate from the decellularized cornea;
d) decellularizing the exfoliated Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate; and
e) a method for manufacturing an artificial scaffold for transplantation of corneal endothelial cells, comprising the step of drying the decellularized Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate.
제1항에 있어서,
상기 d) 단계에서 탈세포화는 0.1 내지 0.5% SDS 농도 조건 하에서 진행되는 것을 특징으로 하는 각막내피세포 이식용 인공 지지체 제조방법.
According to claim 1,
The decellularization in step d) is a method for producing an artificial scaffold for corneal endothelial cell transplantation, characterized in that it is performed under a 0.1 to 0.5% SDS concentration condition.
제1항에 있어서,
상기 d) 단계에서 탈세포화는 실온에서 8시간 내지 12시간 진행되는 것을 특징으로 하는 각막내피세포 이식용 인공 지지체 제조방법.
According to claim 1,
In step d), the decellularization is performed at room temperature for 8 to 12 hours.
제1항에 있어서,
상기 e) 단계에서 건조는 15 내지 45℃에서 진행되는 것을 특징으로 하는 각막내피세포 이식용 인공 지지체 제조방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing an artificial scaffold for corneal endothelial cell transplantation, characterized in that the drying in step e) is carried out at 15 to 45°C.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 각막내피세포 이식용 인공 지지체.The artificial scaffold for corneal endothelial cell transplantation prepared by the method of any one of claims 1 to 4. 제5항의 지지체에 세포를 이식하여 재세포화시킨 초박형 데스메막박리 각막내피층판 이식편.An ultra-thin Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft obtained by transplanting cells into the support of claim 5 and recellularizing. 제6항에 있어서,
상기 세포는 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cells)로부터 유래된 각막내피세포(corneal endothelial cells)인 것을 특징으로 하는 초박형 데스메막박리 각막내피층판 이식편.
7. The method of claim 6,
The cells are induced pluripotent stem cells (induced pluripotent stem cells) derived from the corneal endothelial cells (corneal endothelial cells) ultra-thin Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft, characterized in that.
제6항에 있어서,
상기 이식편은 90 내지 120 μm 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 초박형 데스메막박리 각막내피층판 이식편.
7. The method of claim 6,
The graft is an ultra-thin Descemet's membrane detachment corneal endothelial plate graft, characterized in that it has a thickness of 90 to 120 μm.
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