KR20220158637A - Non-alcoholic fatty liver artificial tissue model - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an artificial tissue model of nonalcoholic fatty liver disease which includes a device comprising a decellularized liver tissue-derived extracellular matrix and a plurality of microchannels, and thus actual nonalcoholic fatty liver disease can be more properly simulated compared to the prior art where the culture is only performed in Matrigel and the decellularized liver tissue-derived extracellular matrix, by including Kupffer cells and hepatic stellate cells. Also, in the artificial tissue model of the present invention, the growth of liver organoids is improved, fat accumulation and inflammation in the liver organoids occur easily through free fatty acid treatment, and nonalcoholic fatty liver phenotype can be expressed more properly.

Description

비알코올성 지방간 인공 조직 모델 {NON-ALCOHOLIC FATTY LIVER ARTIFICIAL TISSUE MODEL}Non-alcoholic fatty liver artificial tissue model {NON-ALCOHOLIC FATTY LIVER ARTIFICIAL TISSUE MODEL}

본 발명은 비알코올성 지방간 인공 조직 모델에 관한 것이다.The present invention relates to an artificial tissue model of non-alcoholic fatty liver.

비알코올성 지방성 간 (Non-Alcoholic Fatty Liver: NAFL) 질환은 지방간을 기본 병변으로 하고, 음주 이력이 부족함에도 불구하고, 알코올성 간 장해와 유사한 간 실질의 염증·괴사, 섬유화 (線維化) 등의 조직 변화를 나타내는 병태이다. NAFL는 기본적으로 무증후성이며, 병태의 진행에 따라 지방간으로부터 지방성 간염, 또한 간경변을 거쳐 간암으로 이행한다. NAFL에서의 지방성 간염을 비알코올성 지방성 간염 (Non-Alcoholic SteatoHepatitis : NASH) 이라고 칭한다. 특히 최근, 비만 또는 당뇨병 등을 배경으로 하는 대사 증후군이 사회 문제가 되고 있고, NASH도 대사 증후군 중 하나라고 생각되고 있다. NAFL 및 NASH에는 합병증으로서 비만, 당뇨병, 고지혈증 및 고혈압 등의 생활 습관병이 인정되고, 그 임상 병태의 주된 특징으로는 혈중의 알라닌 아미노 트랜스페라아제 (ALT)나 히알루론산 농도의 상승, 그에 비하여 혈중의 총 콜레스테롤이나 알부민 농도의 저하 등을 들 수 있다. 그러나, NAFL 및 NASH의 발증기서는 아직 불명확한 점도 많고, 그 효과적인 치료법 및 치료약이 확립되어 있지 않은 것이 현실이다. 그 원인의 일단은, NAFL 및 NASH는 사람의 생활 습관병을 발증의 기반으로 하므로, NAFL 및 NASH의 연구를 위한 적당한 비인간 모델이 아직 확립되어 있지 않은 데에 있다.Non-alcoholic Fatty Liver (NAFL) disease has fatty liver as the basic lesion, and despite the lack of drinking history, tissue inflammation, necrosis, and fibrosis in the liver parenchyma similar to alcoholic liver damage It is a condition that indicates change. NAFL is basically asymptomatic, and transitions from fatty liver to fatty hepatitis and liver cirrhosis to liver cancer as the condition progresses. Steatohepatitis in NAFL is called Non-Alcoholic SteatoHepatitis (NASH). Particularly recently, metabolic syndrome caused by obesity or diabetes has become a social problem, and NASH is considered to be one of the metabolic syndromes. Lifestyle-related diseases such as obesity, diabetes, hyperlipidemia and hypertension are recognized as complications of NAFL and NASH, and the main characteristic of the clinical condition is an increase in the concentration of alanine aminotransferase (ALT) or hyaluronic acid in the blood, and lowering of total cholesterol or albumin concentration; and the like. However, there are still many unclear points about the onset of NAFL and NASH, and the reality is that effective treatment and therapeutic drugs have not been established. One of the reasons for this lies in the fact that NAFL and NASH are based on human lifestyle-related diseases, and therefore, suitable non-human models for the study of NAFL and NASH have not yet been established.

간경변, 간암 등 치사성 질환으로 진전될 가능성이 있는 NAFL 및 NASH의 병태의 해명은 효과적인 치료법 및 치료약의 개발에 필수적이며, 이를 위해서는 적절한 NAFL 및 NASH의 모델이 필요하다.Elucidation of the pathological conditions of NAFL and NASH, which have the potential to progress to lethal diseases such as liver cirrhosis and liver cancer, is essential for the development of effective treatments and therapeutic drugs, and for this purpose, appropriate models of NAFL and NASH are needed.

지금까지 NASH의 동물 모델에 대해서는 보고되어 있지만 (예를 들어, 특허 문헌 1), NAFL의 비 인간 동물 모델이 거의 보고되어 있지 않다. 더욱이, 최근 동물 윤리와 관련된 문제로 인해 동물 모델의 대안이 되는 in vitro 모델의 개발 필요성이 높아졌다.Although animal models of NASH have been reported so far (for example, Patent Document 1), non-human animal models of NAFL have hardly been reported. Moreover, due to recent problems related to animal ethics, the need for developing an in vitro model as an alternative to animal models has increased.

이에, 본 발명의 발명자들은 비알코올성 지방간 모델에 대해 연구한 결과 본 발명을 완성하게 되었다. Thus, the inventors of the present invention completed the present invention as a result of studying the non-alcoholic fatty liver model.

국제 공개 제2011/013247호International Publication No. 2011/013247

본 발명의 일 양상은 탈세포 간 조직 유래 세포외 기질 (Liver Extracellular Matrix; LEM)을 포함하는 하이드로젤; 간 오가노이드; 상기 하이드로젤이 위치하는 웰 및 유리 지방산 (free fatty acid)이 흐를 수 있는 복수의 마이크로채널을 포함하는 디바이스; 및 유리 지방산을 포함하는 배양액을 포함하는 비알코올성 지방간 인공 조직 모델을 제공하는 것을 목적으로 한다.One aspect of the present invention is a hydrogel comprising a decellularized liver tissue-derived extracellular matrix (Liver Extracellular Matrix; LEM); liver organoids; a device including a well in which the hydrogel is located and a plurality of microchannels through which free fatty acid flows; And to provide a non-alcoholic fatty liver artificial tissue model comprising a culture medium containing free fatty acids.

본 발명의 다른 일 양상은 상기 비알코올성 지방간 인공 조직 모델을 제작하는 단계; 및 상기 비알코올성 지방간 인공 조직 모델에 유리 지방산을 포함하는 배양액을 관류시키는 단계를 포함하는 비알코올성 지방간 인공 조직 모델의 제작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another aspect of the present invention comprises the steps of producing the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model; And it is an object to provide a method for producing a non-alcoholic fatty liver artificial tissue model comprising the step of perfusing a culture solution containing free fatty acids into the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model.

본 발명의 다른 일 양상은 상기 비알코올성 지방간 인공 조직 모델에 후보물질을 처리하는 단계; 및 상기 후보물질이 처리된 군과 대조군을 비교하는 단계를 포함하는 비알코올성 지방간 치료 약물의 스크리닝 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another aspect of the present invention comprises the step of processing a candidate substance to the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model; And it aims to provide a screening method for non-alcoholic fatty liver treatment drugs comprising the step of comparing a group treated with the candidate substance and a control group.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in many different forms and, therefore, is not limited to the embodiments described herein. When a certain component is said to "include", this means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

달리 정의되지 않는 한, 분자 생물학, 미생물학, 단백질 정제, 단백질 공학, 및 DNA 서열 분석 및 당업자의 능력 범위 안에서 재조합 DNA 분야에서 흔히 사용되는 통상적인 기술에 의해 수행될 수 있다. 상기 기술들은 당업자에게 알려져 있고, 많은 표준화된 교재 및 참고저서에 기술되어 있다.Unless otherwise defined, it can be performed by conventional techniques commonly used in the fields of molecular biology, microbiology, protein purification, protein engineering, and DNA sequencing and recombinant DNA within the capabilities of those skilled in the art. These techniques are known to those skilled in the art and are described in many standardized texts and reference books.

본 명세서에 달리 정의되어 있지 않으면, 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 당업계에 통상의 기술자가 통상적으로 이해하는 바와 같은 의미를 가진다.Unless defined otherwise herein, all technical and scientific terms used have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art.

본 명세서에 포함되는 용어를 포함하는 다양한 과학적 사전이 잘 알려져 있고, 당업계에서 이용 가능하다. 본 명세서에 설명된 것과 유사 또는 등가인 임의의 방법 및 물질이 본원의 실행 또는 시험에 사용되는 것으로 발견되나, 몇몇 방법 및 물질이 설명되어 있다. 당업자가 사용하는 맥락에 따라, 다양하게 사용될 수 있기 때문에, 특정 방법학, 프로토콜 및 시약으로 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.A variety of scientific dictionaries are well known and available in the art that contain terms included herein. Although any methods and materials similar or equivalent to those described herein will find use in the practice or testing of the present application, several methods and materials are described. Depending on the context of use by those skilled in the art, since it can be used in various ways, the present invention is not limited to specific methodologies, protocols and reagents. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 양상은 탈세포 간 조직 유래 세포외 기질 (Liver Extracellular Matrix; LEM)을 포함하는 하이드로젤; 간 오가노이드; 상기 하이드로젤이 위치하는 웰 및 유리 지방산 (free fatty acid)이 흐를 수 있는 복수의 마이크로채널을 포함하는 디바이스 및 유리 지방산을 포함하는 배양액을 포함하는 비알코올성 지방간 인공 조직 모델을 제공한다.One aspect of the present invention is a hydrogel comprising a decellularized liver tissue-derived extracellular matrix (Liver Extracellular Matrix; LEM); liver organoids; Provided is an artificial non-alcoholic fatty liver tissue model including a device including a well in which the hydrogel is located and a plurality of microchannels through which free fatty acid flows, and a culture medium containing free fatty acid.

본 발명의 일 구체예로 상기 탈세포 간 조직 유래 세포외 기질 (Liver Extracellular Matrix; LEM)은 간 조직 세포가 95 내지 99.9% 더욱 구체적으로 96 내지 98%, 가장 구체적으로는 97.18%가 제거된 것일 수 있다. 상기 범위 외의 간 조직 세포 제거 수준으로 탈세포가 이루어질 경우 제조된 지지체 조성물의 품질이 저하되거나 공정 경제성이 떨어지는 문제점이 있다. In one embodiment of the present invention, the decellularized liver tissue-derived extracellular matrix (Liver Extracellular Matrix; LEM) is one in which 95 to 99.9%, more specifically, 96 to 98%, and most specifically, 97.18% of the liver tissue cells are removed. can When decellularization is performed at a level of liver tissue cell removal outside the above range, there are problems in that the quality of the prepared scaffold composition is deteriorated or the economic efficiency of the process is reduced.

상기 “세포외기질(extracellular matrix)”은 포유류 및 다세포 생물(multicellular organisms)에서 발견되는 단백질 성분으로서 조직의 탈세포화를 통해 제조된 세포 배양용 자연 지지체를 의미한다. 상기 세포외기질은 투석 또는 가교화를 통해 더 처리할 수 있다.The "extracellular matrix" refers to a protein component found in mammals and multicellular organisms, and refers to a natural support for cell culture prepared through tissue decellularization. The extracellular matrix may be further processed through dialysis or crosslinking.

상기 세포외기질은 콜라겐(collagens), 엘라스틴(elastins), 라미닌(laminins), 글리코스아미노글리칸 (glycosaminoglycans), 프로테오글리칸(proteoglycans), 항균제(antimicrobials), 화학유인물질(chemoattractants), 사이토카인 (cytokines), 및 성장 인자에 제한되지 않는, 구조형 및 비구조형 생체 분자(biomolecules)의 혼합물일 수 있다.The extracellular matrix includes collagens, elastins, laminins, glycosaminoglycans, proteoglycans, antimicrobials, chemoattractants, and cytokines. ), and mixtures of structural and nonstructural biomolecules, including but not limited to growth factors.

상기 세포외기질은 포유 동물에 있어서 다양한 형태로서 약 90%의 콜라겐을 포함할 수 있다. 다양한 생체 조직에서 유래한 세포외기질은 각각의 조직에 필요한 고유 역할 때문에 전체 구조체 및 조성이 상이할 수 있다. The extracellular matrix may include about 90% of collagen in various forms in mammals. Extracellular matrices derived from various biological tissues may have different overall structures and compositions due to the unique role required for each tissue.

상기 “유래(derive)", "유래된(derived)"은 유용한 방법에 의해 언급한 원천으로부터 수득한 성분을 의미한다.The above "derived", "derived" means a component obtained from the source mentioned by a useful method.

본 발명의 일 구체예로 상기 간 오가노이드는 인간 유도만능줄기세포 (hiPSC) 유래 또는 인간 간 조직 유래일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the liver organoid may be derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC) or human liver tissue.

상기 "오가노이드(organoid)"는 조직 또는 전분화능줄기세포에서 유래된 세포를 3D 형태로 배양하여 인공장기와 같은 형태로 제작한 초소형 생체기관을 의미한다.The "organoid" refers to a microscopic biological organ produced in the form of an artificial organ by culturing cells derived from tissues or pluripotent stem cells in a 3D form.

상기 오가노이드는 줄기세포에서 발생하고 생체 내 상태와 유사한 방식으로 자가-조직화(또는 자가-패턴화)하는 장기 특이적 세포를 포함한 삼차원 조직 유사체로서 제한된 요소(Ex. growth factor) 패터닝에 의해 특정 조직으로 발달할 수 있다.The organoid is a three-dimensional tissue analog including organ-specific cells that arise from stem cells and self-organize (or self-pattern) in a manner similar to the in vivo state. can develop into

상기 오가노이드는 세포의 본래 생리학적 특성을 가지며, 세포 혼합물(한정된 세포 유형뿐만 아니라 잔존 줄기 세포, 근접 생리학적 니치(physiological niche)를 모두 포함) 원래의 상태를 모방하는 해부학적 구조를 가질 수 있다. 상기 오가노이드는 3차원 배양 방법을 통해 세포와 세포의 기능이 더욱 잘 배열되고, 기능성을 가지는 기관 같은 형태와 조직 특이적 기능을 가질 수 있다.The organoids may have the original physiological characteristics of cells and may have an anatomical structure that mimics the original state of a cell mixture (including not only limited cell types but also residual stem cells and adjacent physiological niches). . The organoids can have cells and cell functions more well arranged through a 3-dimensional culture method, and have organ-like morphology and tissue-specific functions having functional properties.

구체적으로, 상기 간 오가노이드가 인간 유도만능줄기세포 (hiPSC) 유래인 경우, 간 오가노이드는 상기 하이드로젤 위에서 배양되는 것일 수 있다. 이는 하이드로젤을 우선 웰에 주입하여 하이드로젤 베드(gel bed)를 형성하고 여기에 오가노이드를 배양하는 방식으로, 하이드로젤 베드 위에 세포를 주입하면 24시간 내에 3차원 구조를 가지는 오가노이드가 형성된다. 이 경우 오가노이드는 매트릭스의 지지작용을 받으면서도 배양액 미세유체 흐름을 받으며 배양될 수 있으며 특히 오가노이드가 배양액에 직접 노출이 되므로 오가노이드 내부로의 배양액 전달 효율이 매우 우수한 장점이 있다. 이러한 간 오가노이드 및 하이드로젤의 배양 구조를 통해 3차원 구조를 가지는 오가노이드가 형성될 수 있다.Specifically, when the liver organoid is derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC), the liver organoid may be cultured on the hydrogel. In this method, a hydrogel is first injected into a well to form a hydrogel bed and organoids are cultured there. When cells are injected on the hydrogel bed, an organoid having a three-dimensional structure is formed within 24 hours. . In this case, the organoids can be cultured while being supported by the matrix and receiving the microfluidic flow of the culture medium. In particular, since the organoids are directly exposed to the culture medium, the transfer efficiency of the culture medium to the inside of the organoid is very excellent. Organoids having a three-dimensional structure can be formed through the culture structure of such liver organoids and hydrogels.

그리고, 상기 간 오가노이드가 인간 조직 유래인 경우, 간 오가노이드는 상기 하이드로젤 내에서 배양되는 것일 수 있다. 이러한 구조로 배양되는 경우 배양 시간이 지나면서 하이드로젤이 응축하면서 단단한 매트릭스를 형성하고, 오가노이드가 포함된 하이드로젤은 배양 과정 중 웰 바닥에 계속 붙어있기 때문에 오가노이드가 배양액의 미세유체 흐름을 지속적으로 받으면서 배양될 수 있는 효과가 있다. In addition, when the liver organoid is derived from human tissue, the liver organoid may be cultured in the hydrogel. When cultured in this structure, the hydrogel condenses over time to form a hard matrix, and since the hydrogel containing organoids remains attached to the bottom of the well during the culture process, the organoids continue to flow microfluidically in the culture medium. There is an effect that can be cultivated while receiving it.

상기 디바이스는 하이드로젤이 위치하는 웰 및 유리 지방산 (free fatty acid)이 흐를 수 있는 복수의 마이크로채널을 포함하는 것으로, 디바이스는 공지의 소재를 이용하여 제작될 수 있고, 구체적으로는 PDMS 고분자로 제작될 수 있다. 또한, 상기 디바이스는 복수의 챔버로 구성될 수 있으며 구체적으로는 미디어가 연결되어 있는 칩 유닛이 8개가 있고, 각 유닛에는 4개의 D=7.10 mm 규격의 배양 챔버로 구성되며, 각 챔버에는 D=5 mm 규격의 웰, 각 유닛의 양끝에는 가로 길이가 8.66 mm인 미디어 챔버로 구성되어 있을 수 있다. 전술한 규격으로 디바이스를 제작할 경우 96-웰 플레이트와 동일한 규격으로 제작되어 High-throughput 멀티웰 디바이스로서도 활용할 수 있다. The device includes a well in which a hydrogel is located and a plurality of microchannels through which free fatty acid can flow, and the device can be manufactured using a known material, specifically PDMS polymer. It can be. In addition, the device may be composed of a plurality of chambers, specifically, there are 8 chip units to which media are connected, each unit is composed of 4 culture chambers of D = 7.10 mm standard, and each chamber has D = It may consist of 5 mm wells and 8.66 mm wide media chambers at either end of each unit. When a device is manufactured with the above specifications, it is manufactured with the same specifications as the 96-well plate and can be used as a high-throughput multi-well device.

또한, 상기 간 오가노이드가 인간 유도만능줄기세포 (hiPSC) 유래인 경우, 상기 하이드로젤이 위치하는 웰은 깊이가 2 내지 4 mm, 구체적으로는 3 mm일 수 있고, 간 오가노이드가 인간 조직 유래인 경우, 상기 하이드로젤이 위치하는 웰은 깊이가 0.5 내지 1.5 mm, 구체적으로는 1 mm일 수 있다. 상기 범위 외로 웰의 깊이가 제작될 경우, 채널에 의한 배양액의 흐름이 하이드로젤 내부의 오가노이드에 제대로 전달되지 못할 수 있다.In addition, when the liver organoid is derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC), the well in which the hydrogel is located may have a depth of 2 to 4 mm, specifically 3 mm, and the liver organoid is derived from human tissue. In this case, the well in which the hydrogel is located may have a depth of 0.5 to 1.5 mm, specifically 1 mm. If the depth of the well is fabricated outside the above range, the flow of the culture solution through the channel may not be properly delivered to the organoid inside the hydrogel.

본 발명의 일 구체예로 상기 유리 지방산 (free fatty acid)은 농도가 100 내지 900 μM, 구체적으로는 200 내지 800 μM, 가장 구체적으로 800 μM일 수 있다. 유리 지방산은 전술한 디바이스에 구비된 복수의 마이크로 채널을 통해 하이드로젤이 위치하는 웰까지 흐르게 되어 하이드로젤 상 또는 내부에 있는 간 오가노이드에 영향을 주게 된다. 상기 농도 범위 외로 유리 지방산이 사용될 경우 비알코올성 지방간의 특징이 나타나지 않거나 조직 모델 내 세포가 사멸될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the concentration of the free fatty acid may be 100 to 900 μM, specifically 200 to 800 μM, and most specifically 800 μM. The free fatty acid flows through the plurality of microchannels provided in the above-described device to the well where the hydrogel is located, and affects liver organoids on or inside the hydrogel. When free fatty acids are used outside the above concentration range, the characteristics of non-alcoholic fatty liver may not appear or the cells in the tissue model may die.

또한, 상기 유리 지방산을 포함하는 배양액은 간 오가노이드를 배양함과 동시에 간 오가노이드를 배양액에 포함된 유리 지방산에 지속적으로 노출시켜 비알코올성 지방간이 유발되도록 한다. 상기 배양의 구성성분은 유리 지방산 외에 간 오가노이드 배양에 사용되는 공지의 물질을 혼합할 수 있다. In addition, the culture medium containing the free fatty acid induces non-alcoholic fatty liver by continuously exposing the liver organoid to the free fatty acid contained in the culture medium while culturing the liver organoid. Components of the culture may be a mixture of known substances used for liver organoid culture in addition to free fatty acids.

본 발명의 일 구체예로 상기 유리 지방산은 올레산 (oleic acid), 팔 미트산 (palmitic acid), 리놀레산 (linoleic acid) 중 선택된 어느 하나, 구체적으로는 올레산 (oleic acid)일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the free fatty acid may be any one selected from oleic acid, palmitic acid, and linoleic acid, specifically oleic acid.

본 발명의 일 구체예로 상기 간 오가노이드는 혈관세포, 중간엽줄기세포, 쿠퍼 세포 (Kupffer cell, KC) 및 간 성상세포 (hepatic stellate cell, HSC) 중 어느 하나 이상, 구체적으로는 쿠퍼 세포 (Kupffer cell, KC) 및 간 성상세포 (hepatic stellate cell, HSC) 와 공배양되는 것일 수 있다. 상기 쿠퍼 세포는 간에 존재하는 면역세포로서 비알코올성 지방간 유도를 통해 염증성 쿠퍼세포가 활성화되면 사이토카인 및 활성산소종 (ROS)을 분비하는 등의 역할을 한다. 또한, 상기 간 성상세포는 비알코올성 지방간 질환에 있어서 섬유성 인자를 분비하는 역할을 한다. 본 발명의 비알코올성 지방간 인공 조직 모델은 간 오가노이드 뿐만 아니라 전술한 쿠퍼 세포 및 간 성상세포 중 어느 하나 이상을 더 포함함으로써 간의 미세환경을 더욱 구체적으로 반영하고, 이를 통해 모사도가 높은 비알코올성 지방간을 제작할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the liver organoid is any one or more of vascular cells, mesenchymal stem cells, Kupffer cells (KC) and hepatic stellate cells (HSC), specifically Kupffer cells ( It may be co-cultured with Kupffer cells (KC) and hepatic stellate cells (HSC). The Kupffer cells are immune cells present in the liver, and secrete cytokines and reactive oxygen species (ROS) when inflammatory Kupffer cells are activated through non-alcoholic fatty liver induction. In addition, the hepatic stellate cells play a role in secreting fibrotic factors in non-alcoholic fatty liver disease. The non-alcoholic fatty liver artificial tissue model of the present invention further specifically reflects the microenvironment of the liver by further including any one or more of the above-described Kupffer cells and hepatic stellate cells as well as liver organoids, and through this, non-alcoholic fatty liver with a high degree of mimicry can be produced

본 발명의 다른 일 양상은 비알코올성 지방간 인공 조직 모델을 제작하는 단계; 및 상기 비알코올성 지방간 인공 조직 모델에 유리 지방산을 포함하는 배양액을 관류시키는 단계를 포함하는 비알코올성 지방간 인공 조직 모델의 제작방법을 제공한다.Another aspect of the present invention comprises the steps of producing a non-alcoholic fatty liver artificial tissue model; and perfusing the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model with a culture solution containing free fatty acids.

상기 비알코올성 지방간 인공조직 모델을 제작하는 단계는 상기한 비알코올성 지방간 인공조직 모델을 제작하는 단계로서, 구체적으로 PDMS 고분자를 이용하여 하이드로젤이 위치하는 웰 및 유리 지방산 (free fatty acid) 이 흐를 수 있는 복수의 마이크로채널을 포함하는 디바이스 (미세유체칩)를 제작하는 단계; 및 상기 웰에 하이드로젤과 간 오가노이드를 위치시키는 단계로 이루어질 수 있다. 하이드로젤, 간 오가노이드 및 디바이스의 구체적인 내용은 전술한 비알코올성 지방간 인공 조직 모델의 설명과 같다. The step of manufacturing the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model is a step of manufacturing the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model, specifically, by using a PDMS polymer, a well in which a hydrogel is located and free fatty acid can flow. manufacturing a device (microfluidic chip) including a plurality of microchannels; and placing the hydrogel and the liver organoid in the well. Details of the hydrogel, liver organoid, and device are the same as those of the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model described above.

상기 관류시키는 단계는 상기 비알코올성 지방간 인공 조직 모델에 유리 지방산을 포함하는 배양액을 관류시키는 단계이다. 유리 지방산을 포함하는 배양액은 전술한 바와 같이 디바이스의 마이크로채널을 통해 하이드로젤과 간 오가노이드가 위치하는 웰로 흐르게 되고, 간 오가노이드가 유리 지방산에 지속적으로 노출됨으로써 비알코올성 지방간의 표현형을 나타내게 된다. The perfusion step is a step of perfusing a culture medium containing free fatty acid into the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model. As described above, the culture medium containing free fatty acids flows through the microchannel of the device to the wells where the hydrogel and liver organoids are located, and the liver organoids are continuously exposed to the free fatty acids, thereby exhibiting a non-alcoholic fatty liver phenotype.

본 발명의 일 구체예로 상기 관류시키는 단계는 교반기 상에 상기 비알코올성 지방간 인공 조직 모델을 교반시켜 이루어지는 것일 수 있다. 상기 유리 지방산을 포함하는 배양액의 관류는 공지의 장치를 통해 이루어질 수 있으나, 접근, 작동 편의성이 높은 교반기를 사용함으로써 간 오가노이드에 지속적으로 배양액의 흐름을 만들어줄 수 있다. 구체적으로 교반기 상에 상기 비알코올성 지방간 인공 조직 모델을 위치시키고, 배양액을 채운 다음 교반기를 작동시키면 좌우 방향으로 기울어짐에 따라 배양액이 흘러 관류가 일어나게 된다.In one embodiment of the present invention, the perfusion may be performed by stirring the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model on a stirrer. The perfusion of the culture solution containing the free fatty acid may be performed through a known device, but a continuous flow of the culture solution can be made to the liver organoids by using a stirrer with high accessibility and operation convenience. Specifically, when the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model is placed on a stirrer, the culture medium is filled, and the stirrer is operated, the culture medium flows and perfusion occurs as it tilts in the left and right directions.

본 발명의 다른 일 양상은 상기 비알코올성 지방간 인공 조직 모델에 후보물질을 처리하는 단계; 및 상기 후보물질이 처리된 군과 대조군을 비교하는 단계를 포함하는 비알코올성 지방간 치료 약물의 스크리닝 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention comprises the step of processing a candidate substance to the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model; And it provides a screening method for a non-alcoholic fatty liver treatment drug comprising the step of comparing a group treated with the candidate substance and a control group.

상기 후보물질을 처리하는 단계는 상기 비알코올성 지방간 인공 조직 모델에 후보물질을 처리하는 단계로서, 후보물질의 처리방법은 후보물질의 목적하는 투여경로, 투여량 등에 따라 달라질 수 있다. The processing of the candidate material is a step of processing the candidate material on the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model, and the treatment method of the candidate material may vary depending on the desired administration route and dosage of the candidate material.

그리고, 상기 후보물질이 처리된 군과 대조군을 비교하는 단계는 후보물질을 처리한 비알코올성 지방간 인공 조직 모델과 대조군을 비교하는 단계일 수 있다. 상기 대조군은 종래 알려진 비알코올성 지방간 치료 약물 또는 비알코올성 지방간 모델 내 간 오가노이드의 생리활성을 저해 또는 상승시키지 않는 범위에서 공지의 물질을 비알코올성 지방간 인공 조직 모델에 처리하거나 또는 비처리한 비알코올성 지방간 인공 조직 모델일 수 있다. In addition, the step of comparing the group treated with the candidate substance and the control group may be a step of comparing the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model treated with the candidate substance and the control group. The control group is non-alcoholic fatty liver treated with or not treated with a conventionally known non-alcoholic fatty liver treatment drug or a known material within the range that does not inhibit or increase the physiological activity of liver organoids in the non-alcoholic fatty liver model. It may be an artificial tissue model.

상기 후보물질이 처리된 군과 대조군의 비교는 간 오가노이드 내 지방 축적 수준 분석, 간 오가노이드의 생존율, 간 오가노이드의 분화, 기능성 분석 및/또는 간 오가노이드 또는 배양액 내 분비된 여러 지표들을 확인하여 이루어질 수 있다. Comparison between the group treated with the candidate substance and the control group confirmed the level of fat accumulation in liver organoids, survival rate of liver organoids, differentiation of liver organoids, functional analysis, and/or various indicators secreted in liver organoids or culture medium. It can be done by

또한, 상기 스크리닝 방법은 비알코올성 지방간 치료 약물을 선정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 선정하는 단계는 전술한 비교하는 단계를 통해 간 오가노이드 내 지방 축적 저감, 간 오가노이드의 생존율 증가, 간 오가노이드의 분화, 기능성 회복 및/또는 간 오가노이드 또는 배양액 내 분비된 개선 지표들의 증가 등이 확인되는 경우 비알코올성 지방간 치료 약물로 선정하는 것일 수 있다. 대조군으로 종래 알려진 비알코올성 지방간 치료 약물을 사용할 경우, 대조군에 비하여 개선된 효과를 나타내는 경우 종래 알려진 비알코올성 지방간 치료 약물보다 개선된 효과를 가진 것으로 판단, 선정될 수 있다. In addition, the screening method may further include selecting a non-alcoholic fatty liver treatment drug. The selection step is the reduction of fat accumulation in liver organoids, the increase in viability of liver organoids, the differentiation of liver organoids, the recovery of functionality, and/or the increase of secreted improvement indicators in liver organoids or culture medium through the above-described comparison step. If the etc. are confirmed, it may be selected as a non-alcoholic fatty liver treatment drug. When using a conventionally known non-alcoholic fatty liver treatment drug as a control group, if it shows an improved effect compared to the control group, it can be determined and selected as having an improved effect than a conventionally known non-alcoholic fatty liver treatment drug.

본 발명의 비알코올성 지방간 인공 조직 모델은 탈세포 간 조직 유래 세포외 기질과 복수의 마이크로채널을 포함하는 디바이스를 포함하여 매트리젤, 탈세포 간 조직 유래 세포외 기질에서만 배양되던 종래 기술에 비하여 쿠퍼세포와 간 성상세포가 포함되어 실제 비알코올성 지방간 질환을 더욱 잘 모사할 수 있고, 간 오가노이드의 성장이 개선될 뿐만 아니라 유리 지방산 처리를 통해 간 오가노이드 내 지방 축적 및 염증유발이 잘 일어나고 비알코올성 지방간을 더욱 잘 모사할 수 있는 효과가 있다.The non-alcoholic fatty liver artificial tissue model of the present invention includes a device including a decellularized liver tissue-derived extracellular matrix and a plurality of microchannels, compared to the prior art cultured only in Matrigel and decellularized liver tissue-derived extracellular matrix, Kupffer cells. and hepatic stellate cells can be included to better simulate actual non-alcoholic fatty liver disease, and the growth of liver organoids is improved, as well as fat accumulation and inflammation in liver organoids occur easily through free fatty acid treatment There is an effect that can better simulate the .

또한, 본 발명의 비알코올성 지방간 인공 조직 모델은 비알코올성 지방간을 모사하기 때문에 이를 이용하여 비알코올성 지방간 치료 약물을 스크리닝하는 데 활용될 수 있다. In addition, since the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model of the present invention simulates non-alcoholic fatty liver, it can be used to screen non-alcoholic fatty liver treatment drugs.

도 1은 탈세포 간 조직 유래 세포외 기질을 분석한 결과이다.
도 2 및 3은 비알코올성 지방간 인공 조직 모델 제작을 위한 디바이스의 구성 및 작용방식을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명 디바이스에서 간 오가노이드를 배양한 결과이다.
도 5는 유리 지방산 처리농도의 최적화를 위한 실험 결과를 나타내는 것이다.
도 6 내지 10 은 비알콜성 지방간염 (NASH) 오가노이드 모델 구축을 위한 최적의 배양조건 선별 결과를 나타낸 것으로, 도 6 내지 8은 비알콜성 지방간염 (NASH) 오가노이드 모델 구축을 위한 최적화된 배양 플랫폼 선별을 위한 실험 결과이고, 도 9는 비알콜성 지방간염 (NASH) 유발에 최적화된 chip 기반 배양 플랫폼에서의 유체 이동 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이며, 도 10은 비알콜성 지방간염 (NASH) 유발에 최적화된 chip 기반 배양 플랫폼에서의 지방산 흡수 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
도 11 내지 14는 간 조직 특이적 미세환경 세포의 공배양을 통한 오가노이드 분화 증진 효과를 확인한 결과로서, 도 11은 간 조직 미세환경이 통합된 비알콜성 지방간염 오가노이드 모델을 위한 쿠퍼세포 (Kupffer cell) 분화 결과, 도 12는 간 조직 미세환경이 통합된 비알콜성 지방간염 오가노이드 모델을 위한 간 성상세포 (hepatic stellate cell; HSC) 분화 및 도 13은 인간 조직 유래 간 오가노이드의 미세환경 세포 공배양 유무에 따른 간 분화 및 기능성 비교 결과를 나타내는 것이다. 도 14는 인간 iPSC 유래 간 오가노이드의 미세환경 세포 공배양 유무에 따른 간 분화 및 기능성을 비교한 결과를 나타낸 것이다.
도 15 내지 17은 비알콜성 지방간염 (NASH) 오가노이드 모델을 이용한 약물 유효성 평가 결과를 나타낸 것으로, 도 15는 Obeticholic acid (OCA)로 검증한 결과, 도 16은 Ezetimibe (Eze)로 검증한 결과 및 도 17은 Dapagliflozin (DAPA)로 검증한 결과이다.
도 18 내지 22는 비알콜성 지방간염 (NASH) 오가노이드 기반 선별된 유효약물의 기전 규명 및 효과를 검증한 결과를 나타낸 것이다. 도 18은 인간 조직 유래 간 오가노이드 기반 비알콜성 지방간염 모델에서의 약물 유효성을 검증한 결과이고, 도 19, 20은 인간 iPSC 유래 간 오가노이드 기반 비알콜성 지방간염 모델에서의 약물 유효성을 검증한 결과이며, 도 21은 인간 조직 유래 급성 및 만성 비알콜성 지방간염 오가노이드 모델을 이용한 유효 약물의 효능 비교 및 치료 기전을 규명한 결과이며, 도 22는 인간 조직 유래 급성 및 만성 비알콜성 지방간염 오가노이드 모델을 이용한 유효 약물의 효능 비교 및 치료 기전을 규명한 결과이다.
도 23 내지 28은 비알콜성 지방간염 (NASH) 오가노이드 모델에서 발굴된 신규 치료 약물의 유효성 평가 및 관련 기전을 검증 (NASH 동물모델에서 약물의 효능 평가 및 기전 연구)한 결과를 나타낸 것으로, 도 23 내지 26는 비알콜성 지방간염 동물모델에서의 DAPA 약물 유효성 검증 결과를 나타낸 것이다. 도 27은 급성 및 만성 비알콜성 지방간염 동물모델에서의 유효 약물의 효능 비교 및 치료 기전을 규명한 결과, 도 28은 급성 및 만성 비알콜성 지방간염 동물모델에서의 유효 약물의 효능 비교 및 치료 기전을 규명한 결과를 나타낸 것이다.
1 is a result of analyzing the extracellular matrix derived from decellularized liver tissue.
2 and 3 are diagrams showing the configuration and mode of action of a device for producing a non-alcoholic fatty liver artificial tissue model.
4 is a result of culturing liver organoids in the device of the present invention.
Figure 5 shows the experimental results for optimizing the free fatty acid treatment concentration.
6 to 10 show the results of selection of optimal culture conditions for the construction of non-alcoholic steatohepatitis (NASH) organoid models, and FIGS. 6 to 8 show optimized results for the construction of non-alcoholic steatohepatitis (NASH) organoid models. Experimental results for selecting a culture platform, and FIG. 9 shows results of simulation of fluid movement in a chip-based culture platform optimized for non-alcoholic steatohepatitis (NASH) induction, and FIG. 10 is non-alcoholic steatohepatitis (NASH) induction. It shows the results of simulation of fatty acid absorption in the chip-based culture platform optimized for .
11 to 14 show the result of confirming the effect of enhancing organoid differentiation through co-culture of liver tissue-specific microenvironmental cells. Kupffer cell differentiation results, FIG. 12 shows hepatic stellate cell (HSC) differentiation for a non-alcoholic steatohepatitis organoid model integrated with the liver tissue microenvironment and FIG. 13 shows the microenvironment of human tissue-derived liver organoids. It shows liver differentiation and functional comparison results according to the presence or absence of cell co-culture. 14 shows the results of comparison of liver differentiation and functionality of human iPSC-derived liver organoids with and without microenvironmental cell co-culture.
15 to 17 show the results of drug efficacy evaluation using a non-alcoholic steatohepatitis (NASH) organoid model, FIG. 15 is the result of verification with Obeticholic acid (OCA), and FIG. 16 is the result of verification with Ezetimibe (Eze). And Figure 17 is the result of verification with Dapagliflozin (DAPA).
18 to 22 show the results of verifying the mechanisms and effects of selected effective drugs based on non-alcoholic steatohepatitis (NASH) organoids. 18 is a result of verifying drug efficacy in a human tissue-derived liver organoid-based non-alcoholic steatohepatitis model, and FIGS. 19 and 20 verify drug efficacy in a human iPSC-derived liver organoid-based non-alcoholic steatohepatitis model. 21 is a result of comparing efficacy of effective drugs and identifying treatment mechanisms using human tissue-derived acute and chronic nonalcoholic steatohepatitis organoid models, and FIG. 22 is human tissue-derived acute and chronic nonalcoholic steatohepatitis organoid model. This is the result of comparing the efficacy of effective drugs using the hepatitis organoid model and identifying the treatment mechanism.
23 to 28 show the results of evaluating the efficacy of new therapeutic drugs discovered in non-alcoholic steatohepatitis (NASH) organoid models and verifying related mechanisms (evaluation of drug efficacy and mechanism study in NASH animal models). 23 to 26 show the results of DAPA drug validation in non-alcoholic steatohepatitis animal models. Figure 27 is a result of comparing the efficacy of effective drugs in acute and chronic nonalcoholic steatohepatitis animal models and identifying the treatment mechanism, Figure 28 is a comparison of the efficacy of effective drugs in acute and chronic nonalcoholic steatohepatitis animal models and treatment It shows the result of identifying the mechanism.

이하 하나 이상의 구체예를 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 하나 이상의 구체예를 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, one or more specific examples will be described in more detail through examples. However, these examples are intended to illustrate one or more specific examples, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예 1: 비알코올성 지방간 인공 조직 모델의 제작Example 1: Fabrication of non-alcoholic fatty liver artificial tissue model

실시예 1-1. 탈세포 간 조직 유래 세포외 기질의 제작 Example 1-1. Preparation of decellularized liver tissue-derived extracellular matrix

돼지 간 조직 분리하고 세절하여 준비하였고, 상기 간 조직을 1% Triton X-100 및 0.1% 수산화 암모늄(ammonium hydroxide)과 함께 교반하여 간 조직의 세포만을 제거하여 탈세포 간 조직을 제조하였다. 이후, 탈세포 간 조직을 동결건조, 분쇄하여 탈세포 간 조직 유래 세포외기질 (Liver Extracellular Matrix; LEM)을 제조하였다. Porcine liver tissue was isolated and prepared by cutting, and decellularized liver tissue was prepared by removing only the cells of the liver tissue by stirring the liver tissue with 1% Triton X-100 and 0.1% ammonium hydroxide. Thereafter, the decellularized liver tissue was lyophilized and pulverized to prepare a liver extracellular matrix (LEM) derived from the decellularized liver tissue.

상기 탈세포 간 조직 유래 세포외기질 10 mg을 4 mg/ml 펩신 용액 (펩신 파우더 4 mg를 0.02 M HCl 1 ml에 녹인 용액)에 48시간 동안 용해시킨다. 10X PBS와 1 M NaOH를 이용하여 중성 pH와 1X PBS 버퍼의 전해질 상태로 균일하게 섞은 후 37℃의 온도에서 30분 동안 겔화(gelation)시켜 하이드로젤 형태의 지지체 조성물을 제조하였다. 10 mg of the decellularized liver tissue-derived extracellular matrix was dissolved in a 4 mg/ml pepsin solution (4 mg of pepsin powder dissolved in 1 ml of 0.02 M HCl) for 48 hours. 10X PBS and 1 M NaOH were uniformly mixed in an electrolyte state of neutral pH and 1X PBS buffer, followed by gelation at a temperature of 37 ° C. for 30 minutes to prepare a hydrogel type support composition.

상기 제조된 탈세포 간 조직 유래 세포외 기질은 탈세포 과정 전후 H&E 염색을 실시하여 제작한 탈세포 매트릭스의 구조는 잘 유지되고 세포 성분은 모두 제거되었음을 확인하였고 주사전자현미경 이미지를 통해 내부 구조를 이루는 섬유다발이 안정적인 고분자 네트워크를 형성하는 것을 확인하였다. DNA 정량 비교와 대표적인 세포외 기질 성분 중 하나인 Glycosaminoglycan (GAG)에 대한 정량 분석을 통해서도 세포성분은 대부분 제거되고 GAG는 잘 보존되어 있는 것을 확인하였다 (도 1A).The prepared decellularized liver tissue-derived extracellular matrix was subjected to H&E staining before and after the decellularization process to confirm that the structure of the prepared decellularized matrix was well maintained and all cellular components were removed, and the internal structure was confirmed through scanning electron microscopy images. It was confirmed that the fiber bundles formed a stable polymer network. Through DNA quantitative comparison and quantitative analysis of Glycosaminoglycan (GAG), one of the representative extracellular matrix components, it was confirmed that most of the cellular components were removed and GAG was well preserved (FIG. 1A).

또한, 탈세포 간 조직 유래 지지체의 구성성분들을 파악하기 위해 단백체 분석(Proteomics)을 실시하여 간 조직 특이적인 다양한 세포외기질 (Collagens, Glycoproteins, Proteoglycans) 및 성장인자 단백질들이 LEM에 포함되어 있는 것을 확인하였다. 그리고, 기존 상용화된 지지체인 매트리젤(MAT)은 ECM Glycoproteins이 대부분인 반면, 탈세포 간 조직 매트릭스(LEM)는 Collagens과 ECM Glycoproteins이 가장 많고 Proteoglycans와 ECM regulators 순으로 다양한 성분으로 구성되어 있음을 확인하였다. 가장 많은 양이 검출된 10개의 세포외기질 (ECM) 단백질들 중 LEM에 특이적으로 존재하는 Biglycan (BGN), Lumican (LUM), Asporin (ASPN)은 간 조직 발달 시 ECM remodeling에 관여하는 주요 단백질이며 PRELP는 정상적인 간세포 구조를 유지하는데 중요한 역할을 하는 단백질로 알려져 있다. 이를 통해 제작된 탈세포 간 조직 유래 세포외기질(LEM) 지지체가 매트리젤에 비해 간 구조, 발달, 기능에 있어 중요한 역할을 담당하는 실제 간 조직에 존재하는 다양한 세포외기질 단백질들을 포함하고 있음을 확인하였다 (도 1B). In addition, proteomics was performed to identify the components of the decellularized liver tissue-derived scaffold, and it was confirmed that various liver tissue-specific extracellular matrix (Collagens, Glycoproteins, Proteoglycans) and growth factor proteins were included in LEM. did In addition, Matrigel (MAT), an existing commercialized scaffold, is mostly ECM Glycoproteins, whereas decellularized liver tissue matrix (LEM) is composed of various components in the order of Proteoglycans and ECM regulators. . Among the 10 extracellular matrix (ECM) proteins with the highest amount detected, Biglycan (BGN), Lumican (LUM), and Asporin (ASPN), which are specifically present in LEM, are major proteins involved in ECM remodeling during liver tissue development. and PRELP is known as a protein that plays an important role in maintaining normal hepatocyte structure. Compared to Matrigel, the prepared decellularized liver tissue-derived extracellular matrix (LEM) scaffold contains various extracellular matrix proteins present in actual liver tissue that play an important role in liver structure, development, and function. confirmed (FIG. 1B).

실시예 1-2. 비알코올성 지방간 인공 조직 모델을 위한 디바이스 제작Example 1-2. Fabrication of device for non-alcoholic fatty liver artificial tissue model

PDMS 고분자를 이용하여 미세유체칩 (microfluidic chip) 제작 방식으로 제작된 디바이스에는 미디어가 연결되어 있는 칩 유닛이 8개가 있고, 각 유닛은 4개의 D=7.10 mm 규격의 배양 챔버로 구성되며, 각 챔버에는 D=5 mm 규격의 웰 (깊이는 H=3 mm, 1 mm 두가지로 제작), 각 유닛의 양끝에는 가로 길이가 8.66 mm인 미디어 챔버가 위치하도록 디바이스를 제작하였다 (도 2A).In the device manufactured by the microfluidic chip manufacturing method using PDMS polymer, there are 8 chip units to which media are connected, and each unit consists of 4 culture chambers of D=7.10 mm size, each chamber The device was fabricated so that a D = 5 mm standard well (manufactured in two types, H = 3 mm and 1 mm in depth), and media chambers with a horizontal length of 8.66 mm were located at both ends of each unit (FIG. 2A).

구체적으로, 개발된 32-멀티웰 디바이스 형태로 제작되면 지방간염을 보다 효율적으로 유발할 수 있을 뿐 아니라 질환 오가노이드의 고효율 (high-throughput) 약물 스크리닝이 가능하다. High-throughput 멀티웰 디바이스는 기존의 96-웰 플레이트와 동일한 규격을 가지고 있어 플레이트 리더를 포함한 범용적인 96-웰 기반 분석 장비에 호환 적용이 가능하게 제작하였다 (도 2B).Specifically, when manufactured in the form of a developed 32-multiwell device, steatohepatitis can be more efficiently induced and high-throughput drug screening of disease organoids is possible. The high-throughput multi-well device has the same specifications as the existing 96-well plate, so it was manufactured to be compatible with general-purpose 96-well based analysis equipment including plate readers (Fig. 2B).

간 오가노이드가 인간 유도만능줄기세포 (hiPSC) 유래인 경우 간 오가노이드는 깊이가 3 mm인 웰에 위치한 상기 세포외 기질 위에서 배양되고, 간 오가노이드가 인간 조직 유래인 경우 간 오가노이드는 깊이가 1 mm인 웰에 위치한 상기 세포외 기질 내에서 배양하였다 (도 3A).When the liver organoids are derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC), the liver organoids are cultured on the above extracellular matrix located in wells with a depth of 3 mm, and when the liver organoids are derived from human tissue, the liver organoids are cultured on the wells having a depth of 3 mm. Cultured in the extracellular matrix placed in 1 mm wells (Fig. 3A).

여기에 추가적으로 디바이스는 시중에서 쉽게 구할 수 있는 교반기 (rocking shaker)를 이용하여 효과적인 미세유체 흐름 형성이 가능하도록 제작하였다 (도 3B).In addition to this, the device was fabricated to enable effective microfluidic flow formation using a commercially available rocking shaker (FIG. 3B).

실험예 1: 본 발명 디바이스에서 간 오가노이드 배양 확인 및 비알코올성 지방간 모델의 최적화Experimental Example 1: Confirmation of liver organoid culture in the device of the present invention and optimization of non-alcoholic fatty liver model

실험예 1-1. 본 발명 디바이스에서 간 오가노이드 배양 확인Experimental Example 1-1. Confirmation of liver organoid culture in the device of the present invention

전술한 디바이스에서 탈세포 간 조직 유래 세포외 기질 (LEM)을 기반으로 간 오가노이드를 배양하고 기존 정적인 배양환경의 웰 플레이트와 비교하였다. 구체적으로 인간 간 조직으로부터 제작한 간 오가노이드를 사용했으며 배양 7일차에 분석을 진행하였다.In the device described above, liver organoids were cultured based on decellularized liver tissue-derived extracellular matrix (LEM) and compared with conventional well plates in a static culture environment. Specifically, liver organoids prepared from human liver tissue were used, and analysis was performed on the 7th day of culture.

그 결과 도 4에서 확인되는 바와 같이, 기존 웰 플레이트 상에서 배양된 간 오가노이드 (LEM-plate)에 비해 본 발명의 디바이스에서 배양된 간 오가노이드 (LEM-chip)의 크기가 유의미하게 증가한 것을 확인하였다. 오가노이드 크기를 정량 분석했을 때, 디바이스에서 배양액 흐름을 받으면서 배양된 간 오가노이드 그룹에서 유의미한 크기 증가를 확인하였다 (도 4 A).As a result, as confirmed in FIG. 4, it was confirmed that the size of the liver organoid (LEM-chip) cultured in the device of the present invention significantly increased compared to the liver organoid (LEM-plate) cultured on the existing well plate. . When the organoid size was quantitatively analyzed, a significant increase in size was confirmed in the liver organoid group cultured while receiving the medium flow from the device (FIG. 4A).

또한, 전술한 결과를 검증하기 위해 증식능 (proliferation) 관련 마커 KI67의 면역염색을 진행했을 때, 플레이트에서 배양된 대조군 매트리젤 그룹과 탈세포 간 조직 유래 지지체 그룹은 비슷한 증식능을 보였으나 탈세포 간 조직 유래 지지체와 미세유체 디바이스가 결합된 그룹에서 유의미하게 KI67 발현이 증가한 것을 확인하였다 (도 4B). 이를 통해 산소 및 영양분 공급이 원활하게 일어나 간 오가노이드의 증식능이 크게 증가되어 오가노이드 크기가 커졌을 것으로 추측된다.In addition, when immunostaining of the proliferation related marker KI67 was performed to verify the above results, the control matrigel group cultured on the plate and the scaffold group derived from decellularized liver tissue showed similar proliferation ability, but decellularized liver tissue It was confirmed that KI67 expression significantly increased in the group in which the derived scaffold and the microfluidic device were combined (FIG. 4B). Through this, oxygen and nutrients were supplied smoothly, and it is assumed that the growth capacity of liver organoids was greatly increased and the size of organoids increased.

그리고, 정량적 PCR 방법으로 유전자 발현을 비교하였을 때, 정적인 플레이트 배양환경에서 제작된 간 오가노이드에 비해 본 발명 디바이스에서 배양된 간 오가노이드는 LGR5, KRT19, HNF4A, SOX9 및 FOXA2의 발현량이 증가된 것을 확인하였다 (도 4C). In addition, when gene expression was compared by quantitative PCR, compared to liver organoids prepared in a static plate culture environment, liver organoids cultured in the device of the present invention showed increased expression of LGR5, KRT19, HNF4A, SOX9 and FOXA2. It was confirmed (Fig. 4C).

실험예 1-2. 유리 지방산 처리농도의 최적화Experimental Example 1-2. Optimization of free fatty acid treatment concentration

지방간염 오가노이드 유발 효율이 가장 우수한 탈세포 간 조직 유래 세포외 기질-멀티웰 미세유체 디바이스 플랫폼 (LEM-Chip)에서 인간 간 오가노이드를 배양하고 유리 지방산 (Oleic acid)을 농도별로 처리하여 질병 모델 제작을 위한 최적 농도를 테스트하였다.A disease model by culturing human liver organoids in a decellularized liver tissue-derived extracellular matrix-multiwell microfluidic device platform (LEM-Chip) with the highest steatohepatitis organoid-inducing efficiency and treating them with free fatty acid (Oleic acid) at different concentrations Optimal concentrations for fabrication were tested.

그 결과 탈세포 LEM 하이드로젤과 멀티웰 디바이스가 결합된 플랫폼에서 인간 조직 유래 간 오가노이드를 배양하고 지방산을 농도별로 처리하였을 때, 농도별로 간 오가노이드의 내부에 지방이 축적되어 염증이 일어나고 간 오가노이드 특이적인 형태와 구조가 손상되어 변형되는 것을 확인하였다 (도 5A). As a result, when human tissue-derived liver organoids were cultured on a platform combining decellularized LEM hydrogel and multi-well device and fatty acids were treated at different concentrations, fat accumulated inside the liver organoids at different concentrations, causing inflammation and It was confirmed that the noid-specific morphology and structure were damaged and deformed (FIG. 5A).

간 오가노이드 내부의 지방 축적량을 면역염색을 통해 확인했을 때, 처리한 지방산의 농도가 높아질수록 오가노이드 내부에 축적되는 지방의 양이 증가하는 것을 통해 탈세포 LEM-멀티웰 디바이스 플랫폼에서 비알코올성 지방간 오가노이드 모델 구현이 가능함을 확인하였다 (도 5B). When the amount of fat accumulation inside the liver organoid was confirmed through immunostaining, the higher the concentration of the treated fatty acid, the higher the amount of fat accumulated inside the organoid. It was confirmed that the organoid model could be implemented (Fig. 5B).

정량적 PCR 분석을 통해 지방산 처리 농도별로 유전자 발현량을 분석한 결과, 800 μM 고농도 처리한 경우 지방간염 오가노이드의 특징이 가장 잘 나타난 것을 확인하였다. 추가적으로 간 기능성 분석인 요소합성 능력을 비교해 보았을 때, 지방산 처리 농도가 증가함에 따라 요소합성 능력도 감소하는 것을 확인하였다 (도 5C). As a result of analyzing the gene expression level for each concentration of fatty acid treatment through quantitative PCR analysis, it was confirmed that the characteristics of steatohepatitis organoids were best expressed when treated at a high concentration of 800 μM. Additionally, when comparing urea synthesis ability, which is a liver functional assay, it was confirmed that urea synthesis ability also decreased as the concentration of fatty acid treatment increased (FIG. 5C).

* PLIN2 : Lipid droplet marker, HES1 : NASH/Fibrosis-related notch signaling marker, CASP3 : Cell death marker, LGR5 : Stemness marker, HNF4A : Mature hepatocyte marker* PLIN2: Lipid droplet marker, HES1: NASH/Fibrosis-related notch signaling marker, CASP3: Cell death marker, LGR5: Stemness marker, HNF4A: Mature hepatocyte marker

실험예 2: 비알콜성 지방간염 (NASH) 오가노이드 모델 구축을 위한 최적의 배양조건 선별Experimental Example 2: Selection of optimal culture conditions for non-alcoholic steatohepatitis (NASH) organoid model construction

실험예 2-1. 비알콜성 지방간염 (NASH) 오가노이드 모델 구축을 위한 최적화된 배양 플랫폼 선별 (1)Experimental Example 2-1. Selection of optimized culture platform for non-alcoholic steatohepatitis (NASH) organoid model construction (1)

비알콜성 지방간염 오가노이드 모델 구축을 위한 최적의 배양 플랫폼을 선별하기 위해 (1) 기존 상용화된 배양 지지체인 매트리젤 (MAT), (2) 탈세포 간 조직 지지체 (LEM), (3) 탈세포 간 조직 지지체와 멀티웰 디바이스가 결합된 시스템 (LEM-Chip) 이렇게 3가지 배양 조건에서 인간 간 오가노이드를 제작하고 800 μM 유리 지방산(Oleic acid)을 처리하여 지방간 모델을 유발하였다. 간 오가노이드는 인간 간 조직에서 추출한 성체 간 줄기세포를 이용하여 제작하였다.In order to select the optimal culture platform for the construction of non-alcoholic steatohepatitis organoid model, (1) matrigel (MAT), which is a commercially available culture support, (2) decellularized liver tissue support (LEM), (3) decellularization Liver tissue support and multi-well device combined system (LEM-Chip) Human liver organoids were prepared under three culture conditions and treated with 800 µM oleic acid to induce a fatty liver model. Liver organoids were prepared using adult liver stem cells extracted from human liver tissue.

그 결과 탈세포 LEM 하이드로젤 지지체 내에서 간 오가노이드를 배양했을 때 매트리젤 그룹(MAT)과 유사한 모양 및 크기의 간 오가노이드가 형성되는 것을 확인하였고 멀티웰 디바이스가 결합된 배양환경에서는 채널을 통한 배양액의 미세 흐름(flow) 영향으로 산소공급이 원활하게 되어 크기가 더욱 커진 간 오가노이드가 형성되는 것을 확인하였다. 지방산 처리를 통해 지방간 모델을 유발했을 때에도 오가노이드 내부로의 지방 축적 및 염증유발이 LEM-chip 그룹에서 가장 잘 유도되는 것을 확인하였다 (도 6 A). As a result, when liver organoids were cultured in the decellularized LEM hydrogel scaffold, it was confirmed that liver organoids of a shape and size similar to those of the Matrigel group (MAT) were formed. It was confirmed that liver organoids having a larger size were formed due to smooth oxygen supply due to the micro flow of the culture medium. Even when the fatty liver model was induced through fatty acid treatment, it was confirmed that the LEM-chip group induced the best induction of fat accumulation and inflammation inside organoids (FIG. 6A).

또한, 각 배양조건에 따른 NASH 질환 유발효율을 평가하기 위해 3일 동안 간 오가노이드에 지방산 처리 후 정량적 PCR로 확인했을 때, 대조군 매트리젤 그룹(MAT) 및 탈세포 간 조직 지지체 그룹(LEM)과 비교하여 탈세포 간 조직 지지체-멀티웰 디바이스 그룹(LEM-Chip)에서 NASH 질환 유발이 더 잘 되는 것을 확인하였다 (도 6B). (TNF-α : 염증 마커, SMA : 지방간/섬유화 마커, PLIN2 : 지방축적 마커, ALB : 성숙한 간 분화 마커)In addition, when confirmed by quantitative PCR after fatty acid treatment of liver organoids for 3 days to evaluate NASH disease induction efficiency according to each culture condition, the control matrigel group (MAT) and decellularized liver tissue support group (LEM) In comparison, it was confirmed that NASH disease induction was better in the decellularized liver tissue scaffold-multiwell device group (LEM-Chip) (FIG. 6B). (TNF-α: inflammatory marker, SMA: fatty liver/fibrosis marker, PLIN2: fat accumulation marker, ALB: mature liver differentiation marker)

이를 통해 탈세포 간 조직 유래 지지체와 멀티웰 디바이스가 결합된 간 오가노이드 배양 플랫폼을 최적의 플랫폼으로 선별하고 추후 NASH 유발 실험에 이용하였다. Through this, a liver organoid culture platform in which a decellularized liver tissue-derived scaffold and a multi-well device were combined was selected as an optimal platform and used for later NASH-induced experiments.

실험예 2-2. 비알콜성 지방간염 (NASH) 오가노이드 모델 구축을 위한 최적화된 배양 플랫폼 선별 (2)Experimental Example 2-2. Selection of optimized culture platform for non-alcoholic steatohepatitis (NASH) organoid model construction (2)

비알콜성 지방간염 오가노이드 모델 구축을 위한 최적의 배양 플랫폼을 선별하기 위해 (1) 기존 상용화된 배양 지지체인 매트리젤 (MAT), (2) 탈세포 간 조직 지지체 (LEM), (3) 탈세포 간 조직 지지체와 멀티웰 디바이스가 결합된 시스템 (LEM-Chip) 이렇게 3가지 배양 조건에서 인간 간 오가노이드를 제작하고 800 μM 유리 지방산(Oleic acid)을 처리하여 지방간 모델을 유발하였다. 간 오가노이드는 인간 간 조직에서 추출한 성체 간 줄기세포를 이용하여 제작하였다.In order to select the optimal culture platform for the construction of non-alcoholic steatohepatitis organoid model, (1) matrigel (MAT), which is a commercially available culture support, (2) decellularized liver tissue support (LEM), (3) decellularization Liver tissue support and multi-well device combined system (LEM-Chip) Human liver organoids were prepared under three culture conditions and treated with 800 µM oleic acid to induce a fatty liver model. Liver organoids were prepared using adult liver stem cells extracted from human liver tissue.

그 결과, 3가지 배양조건에서 3일간 지방간염을 유발하고 면역염색을 통해 지방간염 유발효율을 비교하였을 때, 기존 정적인 배양환경(웰 플레이트)의 MAT, LEM 조건에서 배양된 간 오가노이드에서 보다 멀티웰 디바이스가 결합된 배양환경에서 배양된 오가노이드에서 간 섬유화 마커인 SMA, VIM의 발현이 훨씬 높은 수준으로 관찰되었다 (도 7A).As a result, when steatohepatitis was induced for 3 days under 3 culture conditions and steatohepatitis induction efficiency was compared through immunostaining, liver organoids cultured under MAT and LEM conditions in a static culture environment (well plate) were more In the organoids cultured in the culture environment coupled with the multi-well device, the expression of SMA and VIM, which are liver fibrosis markers, was observed at much higher levels (FIG. 7A).

또한, 각 배양조건에 따른 NASH 질환 유발효율을 Oil red O 염색(세포 내 지방 염색)으로 확인했을 때, 정적인 배양 환경의 대조군 매트리젤 그룹(MAT) 및 탈세포 간 조직 지지체 그룹(LEM)과 비교하여 탈세포 간 조직 지지체-멀티웰 디바이스 그룹(LEM-Chip)에서 간 오가노이드 내부에 지방산 축적이 더 잘 유도되는 것을 확인하였다 (도 7B).In addition, when the NASH disease induction efficiency according to each culture condition was confirmed by Oil red O staining (intracellular fat staining), the control matrigel group (MAT) and the decellularized liver tissue support group (LEM) in a static culture environment In comparison, it was confirmed that fatty acid accumulation inside the liver organoid was better induced in the decellularized liver tissue scaffold-multiwell device group (LEM-Chip) (FIG. 7B).

그리고, Masson’s Trichrome (MT) 염색을 통해 오가노이드 내부에 축적된 콜라겐을 확인했을 때에도, MAT 그룹 및 LEM 그룹 보다 LEM-Chip 그룹에서 축적된 콜라겐의 양이 더 많은 것을 확인하였다. 이를 통해, 정적인 배양 조건과 비교하여 미세유체 칩을 이용한 배양 조건에서 처리된 지방산이 마이크로 채널을 통한 미세 흐름(flow)에 의해 간 오가노이드 내부로 축적이 가장 잘 유도되고 섬유화가 가장 잘 유발되는 것을 확인하였다 (도 7C).Also, when confirming collagen accumulated inside organoids through Masson's Trichrome (MT) staining, it was confirmed that the amount of accumulated collagen was higher in the LEM-Chip group than in the MAT and LEM groups. Through this, compared to static culture conditions, fatty acids treated under culture conditions using a microfluidic chip are best induced to accumulate into liver organoids by microflow through microchannels and fibrosis is best induced. It was confirmed (Fig. 7C).

이러한 결과들을 통해 탈세포 간 조직 유래 지지체와 멀티웰 디바이스가 결합된 간 오가노이드 배양 플랫폼을 최적의 플랫폼으로 선별하고 추후 NASH 유발 실험에 이용하였다. Based on these results, a liver organoid culture platform in which a decellularized liver tissue-derived scaffold and a multi-well device were combined was selected as the optimal platform and used for NASH-induced experiments in the future.

실혐예 2-3. 비알콜성 지방간염 (NASH) 오가노이드 모델 구축을 위한 최적화된 배양 플랫폼 선별 (3)Experimental example 2-3. Selection of optimized culture platform for non-alcoholic steatohepatitis (NASH) organoid model construction (3)

비알콜성 지방간염(NASH)을 간 오가노이드에 유발해 주었을 때, 최적의 그룹으로 선정한 LEM-Chip 조건에서 다른 배양조건에 비해 염증성 사이토카인의 분비량 및 다양성이 증가하는지 확인하기 위해 염증성 사이토카인에 대한 면역항체 어레이를 진행하였다. 인간 조직 유래 간 오가노이드를 대조군인 MAT 지지체에서 배양한 Normal 그룹과 NASH 유발 그룹, LEM 배양 조건과 LEM-Chip 조건에서 배양하면서 NASH를 유발한 그룹에 대하여 분석을 진행하였다.When non-alcoholic steatohepatitis (NASH) was induced in liver organoids, in the LEM-Chip condition selected as the optimal group, compared to other culture conditions, the amount and variety of inflammatory cytokines secreted increased. An immuno-antibody array was performed. Analysis was performed on the normal group and the NASH-induced group in which human tissue-derived liver organoids were cultured on the MAT scaffold as a control group, and the NASH-induced group while culturing under LEM culture conditions and LEM-Chip conditions.

40가지의 염증성 사이토카인에 대하여 면역항체 어레이를 진행했을 때, 분비량이 높게 검출된 주요 염증성 사이토카인 7개에 대하여 정량 분석을 진행하였다. 그 결과 7개의 사이토카인(MIP-1δ, sTNF RI, RANTES, TIMP-2, IL-11, MCP-1, IL-8)은 Normal 그룹에 비해 NASH를 유발한 그룹에서 증가하는 경향을 보이며, 특히 LEM-Chip에서 배양한 NASH 오가노이드 그룹에서 염증성 사이토카인의 분비량이 가장 높게 검출되는 것을 확인하였다 (도 8). 이를 통해, 기존의 배양 플랫폼에서 지방간염을 유발하는 것 보다 본 발명에서 개발한 LEM 지지체와 미세유체 칩을 결합한 배양 플랫폼이 NASH 모델 유발에 가장 최적화된 플랫폼임을 확인하였다.When immuno-antibody array was performed on 40 inflammatory cytokines, quantitative analysis was performed on 7 major inflammatory cytokines with high secretion. As a result, seven cytokines (MIP-1δ, sTNF RI, RANTES, TIMP-2, IL-11, MCP-1, IL-8) tended to increase in the NASH-induced group compared to the Normal group, especially It was confirmed that the highest amount of inflammatory cytokine secretion was detected in the NASH organoid group cultured in the LEM-Chip (FIG. 8). Through this, it was confirmed that the culture platform combining the LEM scaffold and microfluidic chip developed in the present invention is the most optimized platform for inducing NASH model, rather than inducing steatohepatitis in the existing culture platform.

실험예 2-4. 비알콜성 지방간염 (NASH) 유발에 최적화된 chip 기반 배양 플랫폼에서의 유체 이동 시뮬레이션 Experimental Example 2-4. Simulation of fluid movement in a chip-based culture platform optimized for induction of non-alcoholic steatohepatitis (NASH)

배양액에 유리 지방산을 처리하여 비알콜성 지방간염(NASH)을 유발할 때 기존의 배양액 흐름이 없는 정적인 plate 조건에서 NASH를 유발했을 때보다 배양액 흐름이 존재하는 chip 조건에서 오가노이드 내부로의 지방산 흡수 촉진을 위한 chip 내의 유체 이동에 대한 예측 시뮬레이션을 진행하였다.When non-alcoholic steatohepatitis (NASH) is induced by treating free fatty acids in the culture medium, fatty acid absorption into the organoid under the chip condition with the flow of the culture medium is higher than when NASH is induced under the static plate condition without the existing culture medium flow. A prediction simulation was performed for fluid movement within the chip for acceleration.

비알콜성 지방간염 유발을 위해 제작된 chip 조건에 대해서 유체 시뮬레이션을 진행하여 시간에 따른 유체의 흐름을 예측하였다. 교반기에 의해 형성되는 흐름은 교반기의 움직임에 따라 유체의 속도 및 방향이 변하기 때문에 교반기의 속도 및 각도를 조절하면 기존 정적인 plate 조건의 배양 환경 보다 다양한 유체의 흐름을 제공할 수 있음을 확인하였다 (도 9). 이를 통해 유체 흐름이 없는 plate 환경에 비해서 배양액 흐름이 존재하는 동적인 chip 환경에서 배양액에 포함된 유리 지방산이 오가노이드 내부로 더욱 효율적으로 전달될 수 있을 것으로 예측되었다.The flow of fluid over time was predicted by performing fluid simulation for the chip condition manufactured to induce non-alcoholic steatohepatitis. Since the flow formed by the stirrer changes the speed and direction of the fluid according to the movement of the stirrer, it was confirmed that adjusting the speed and angle of the stirrer can provide a more diverse fluid flow than the existing static plate culture environment ( Fig. 9). Through this, it was predicted that free fatty acids contained in the culture medium could be more efficiently transferred into the organoids in a dynamic chip environment with culture medium flow compared to a plate environment without fluid flow.

실험예 2-5.Experimental Example 2-5. 비알콜성 지방간염 (NASH) 유발에 최적화된 chip 기반 배양 플랫폼에서의 지방산 흡수 시뮬레이션Simulation of fatty acid absorption in a chip-based culture platform optimized for non-alcoholic steatohepatitis (NASH) induction

배양액에 유리 지방산을 처리하여 비알콜성 지방간염(NASH)을 유발할 때, 기존의 배양액 흐름이 없는 정적인 plate 조건에서 NASH를 유발했을 때보다 배양액 흐름이 존재하는 chip 조건에서 오가노이드 내부로의 지방산 흡수가 보다 효율적으로 일어날 수 있는지를 확인하기 위해 각 조건에서의 지방산 흡수 예측 시뮬레이션을 진행하였다.When non-alcoholic steatohepatitis (NASH) is induced by treating free fatty acids in the culture medium, fatty acids into the organoids are more concentrated under the chip condition with the flow of the culture medium than when NASH is induced under the static plate condition without the flow of the culture medium. In order to confirm whether absorption can occur more efficiently, prediction simulations of fatty acid absorption under each condition were performed.

기존 정적인 well plate 조건과 동적인 chip 조건에 대한 유체의 흐름 및 물질 이동 시뮬레이션을 통하여 오가노이드의 지방산 흡수를 60분 동안 예측하였다. 그 결과, 동적 chip 배양 시스템에서는 유체의 흐름을 통하여 배양액에 포함된 유리 지방산 이동 및 교환이 촉진되며, 따라서 정적 배양 시스템인 well plate 조건에 비해서 오가노이드 내부로의 지방산 흡수가 빠르게 증가함을 확인하였다 (도 10). Fatty acid uptake of organoids was predicted for 60 minutes through fluid flow and mass transfer simulations for static well plate conditions and dynamic chip conditions. As a result, it was confirmed that in the dynamic chip culture system, the movement and exchange of free fatty acids contained in the culture medium is promoted through the flow of fluid, and therefore, the absorption of fatty acids into the organoids increases rapidly compared to the well plate condition, which is a static culture system. (FIG. 10).

실험예 3: 간 조직 특이적 미세환경 세포의 공배양을 통한 오가노이드 분화 증진 효과 확인Experimental Example 3: Confirmation of organoid differentiation enhancement effect through co-culture of liver tissue-specific microenvironmental cells

실험예 3-1. 간 조직 미세환경이 통합된 비알콜성 지방간염 오가노이드 모델을 위한 쿠퍼세포 (Kupffer cell) 분화Experimental Example 3-1. Differentiation of Kupffer cells for non-alcoholic steatohepatitis organoid model integrated with liver tissue microenvironment

쿠퍼세포는 간에 존재하는 면역세포로서 비알코올성 지방간 유도에 있어 염증성 쿠퍼세포가 활성화되면 사이토카인 및 활성산소종 (ROS)을 분비하는 등 질환 표현형에 있어 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 따라서, 이러한 간 조직 미세환경이 구비된 NASH 모델 제작을 위해 간 오가노이드와 함께 공배양 할 수 있는 쿠퍼세포를 인간 유도만능줄기세포로부터 분화하였다.Kupffer cells are immune cells present in the liver and are known to play an important role in disease phenotypes, such as secreting cytokines and reactive oxygen species (ROS) when inflammatory Kupffer cells are activated in the induction of non-alcoholic fatty liver. Therefore, Kupffer cells that can be co-cultured with liver organoids were differentiated from human induced pluripotent stem cells to prepare a NASH model equipped with such a liver tissue microenvironment.

그 결과 인간 유도만능줄기세포로부터 EB (Embryoid body)를 제작한 뒤, 대식세포 전구체 (macrophage precursor) 단계를 거쳐 쿠퍼세포로 분화한 것을 확인하였다 (도 11A).As a result, it was confirmed that embryoid bodies (EBs) were prepared from human induced pluripotent stem cells and then differentiated into Kupffer cells through a macrophage precursor stage (FIG. 11A).

그리고 제작된 쿠퍼세포의 단백질 마커 발현을 면역염색을 통해 분석하였을 때, 단핵세포 (monocyte) 및 M2 면역세포 마커인 F4/80, CD163과 쿠퍼세포 관련 마커인 CD34의 발현이 잘 되는 것을 확인하였다 (도 11B).And when protein marker expression of the prepared Kupffer cells was analyzed through immunostaining, it was confirmed that monocyte and M2 immune cell markers F4/80 and CD163 and Kupffer cell-related marker CD34 were well expressed ( Figure 11B).

실험예 3-2. 간 조직 미세환경이 통합된 비알콜성 지방간염 오가노이드 모델을 위한 간 성상세포 (hepatic stellate cell; HSC) 분화Experimental Example 3-2. Differentiation of hepatic stellate cells (HSCs) for a non-alcoholic steatohepatitis organoid model integrated with the liver tissue microenvironment

비알코올성 지방간 염증 발현에 있어서 간 성상세포가 활성화되면서 중요한 섬유성 인자들을 분비하는 역할을 한다고 알려져 있다. 따라서 이러한 간 조직 미세환경이 구비된 NASH 모델 제작을 위해 간 오가노이드와 공배양 할 수 있는 간 성상세포를 인간 유도만능줄기세포로부터 분화하였다.In the expression of non-alcoholic fatty liver inflammation, it is known that hepatic stellate cells play a role in secreting important fibrotic factors as they are activated. Therefore, in order to prepare a NASH model equipped with such a liver tissue microenvironment, hepatic stellate cells that can be co-cultured with liver organoids were differentiated from human induced pluripotent stem cells.

그 결과 인간 유도만능줄기세포로부터 중배엽, 중피세포를 거쳐 간 성상세포로 분화하였고 계대 배양이 가능함을 확인하였다 (도 12A).As a result, it was confirmed that human induced pluripotent stem cells were differentiated into hepatic stellate cells through mesoderm and mesothelial cells, and subculture was possible (FIG. 12A).

또한, 간 성상세포 분화 후 14일에 면역염색을 통해 마커 발현을 확인하였을 때, 간 성상세포에 의해 분비되는 세포외기질 (ECM) 마커인 COL1, FN과 성상세포 분화 마커인 Vimentin, a-SMA이 잘 발현한 것을 확인하였다 (도 12B). In addition, when marker expression was confirmed through immunostaining 14 days after hepatic stellate cell differentiation, COL1 and FN, which are extracellular matrix (ECM) markers secreted by hepatic stellate cells, and Vimentin and a-SMA, which are astrocyte differentiation markers, It was confirmed that this expression was well expressed (FIG. 12B).

실험예 3-3. 인간 조직 유래 간 오가노이드의 미세환경 세포 공배양 유무에 따른 간 분화 및 기능성 비교Experimental Example 3-3. Comparison of liver differentiation and functionality of human tissue-derived liver organoids with and without microenvironmental cell co-culture

실제 간에 존재하는 혈관내피세포(EC), 쿠퍼세포(KC) 및 간 성상세포(HSC)를 인간 조직 유래 정상 간 오가노이드(Liver organoid; LO)와 공배양 했을 때, 간 오가노이드의 간 분화 마커 및 기능성 향상 여부를 확인하기 위해 매트리젤(MAT)에서 배양된 간 오가노이드와 탈세포 간 조직 유래 지지체(LEM)에서 배양된 간 오가노이드에 이들 세포들을 같이 포함하여 배양하였다. 미세환경 세포를 공배양하지 않은 그룹은 대조군으로 적용하였다. 혈관내피세포는 HUVEC(Human umbilical vein endothelial cells)을 이용하고 쿠퍼세포 및 간 성상세포는 앞서 인간 유도만능줄기세포(iPSC)에서 분화한 세포를 이용하였다. 간 오가노이드가 배양되는 30 mL MAT 또는 LEM 하이드로젤에 혈관내피세포 25,000 cells, 쿠퍼세포 25,000 cells, 간 성상세포 20,000 cells 추가하여 공배양하고 3일 뒤에 정량적 PCR 및 요소합성능 분석을 진행하였다.When vascular endothelial cells (EC), Kupffer cells (KC), and hepatic stellate cells (HSC) present in real liver are co-cultured with human tissue-derived normal liver organoid (LO), liver differentiation markers of liver organoids And, in order to confirm the functional improvement, these cells were included in liver organoids cultured on Matrigel (MAT) and liver organoids cultured on decellularized liver tissue-derived support (LEM) and cultured together. A group in which microenvironmental cells were not co-cultured was used as a control group. Human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) were used as vascular endothelial cells, and Kupffer cells and hepatic stellate cells were previously differentiated from human induced pluripotent stem cells (iPSCs). 25,000 cells of vascular endothelial cells, 25,000 cells of Kupffer cells, and 20,000 cells of hepatic stellate cells were added to a 30 mL MAT or LEM hydrogel in which liver organoids were cultured and co-cultured, and quantitative PCR and urea synthesis performance analysis were performed 3 days later.

대조군 매트리젤과 탈세포 LEM 하이드로젤 지지체에서 배양된 인간 간 오가노이드에 혈관세포, 간 성상세포와 쿠퍼세포를 공배양 하였을 때 두 그룹 모두에서 간 오가노이드 주변에 미세환경 세포들이 함께 분포하며 공배양이 가능함을 확인하였다 (도 13A). When vascular cells, hepatic stellate cells, and Kupffer cells were co-cultured on human liver organoids cultured on control Matrigel and decellularized LEM hydrogel scaffolds, microenvironmental cells were distributed around the liver organoids in both groups and co-cultured It was confirmed that this is possible (Fig. 13A).

그리고, 정량적 PCR 분석을 통해 간 분화 마커의 발현을 비교했을 때, LEM 하이드로젤에서 배양된 간 오가노이드의 간 분화 마커 발현이 매트리젤 그룹에 비해 우수하며, 미세환경 세포들이 포함된 공배양 그룹이 그렇지 않은 그룹에 비해 분화능이 더욱 향상된 것을 확인하였다 (도 13B).In addition, when comparing the expression of liver differentiation markers through quantitative PCR analysis, the expression of liver differentiation markers in liver organoids cultured on LEM hydrogel was superior to that of the Matrigel group, and the co-culture group containing microenvironmental cells It was confirmed that the differentiation potential was further improved compared to the other groups (FIG. 13B).

또한, 대표적인 간 기능성 지표인 요소합성 능력에 대한 분석을 통해 간 기능성을 비교했을 때에도 마찬가지로 LEM 하이드로젤에서 배양된 간 오가노이드의 요소합성 능력이 대조군 매트리젤 그룹에 비해 우수하며 미세환경 세포들이 포함된 공배양 그룹이 그렇지 않은 그룹에 비해 요소합성 능력이 더욱 향상된 것을 확인하였다 (도 13C). 이를 통해 LEM 하이드로젤 조건에서 간 조직 특이적 미세환경이 통합된 간 오가노이드 모델이 가장 우수한 간 분화 및 기능성을 지님을 알 수 있다.In addition, when liver functionality was compared through analysis of urea synthesis ability, which is a representative liver function indicator, similarly, liver organoids cultured in LEM hydrogel had superior urea synthesis ability compared to the control matrigel group, and microenvironmental cells were included. It was confirmed that the urea synthesis ability of the co-culture group was further improved compared to the group without it (FIG. 13C). Through this, it can be seen that the liver organoid model in which the liver tissue-specific microenvironment is integrated has the best liver differentiation and functionality in the LEM hydrogel condition.

실험예 3-4. 인간 iPSC 유래 간 오가노이드의 미세환경 세포 공배양 유무에 따른 간 분화 및 기능성 비교Experimental Example 3-4. Comparison of liver differentiation and functionality of human iPSC-derived liver organoids with and without microenvironmental cell co-culture

기존의 iPSC 유래 간 오가노이드 제작 시 포함되는 iPSC 유래 간세포(H), 혈관내피세포(E), 중간엽줄기세포(M) 이외에 실제 간에 추가적으로 존재하는 쿠퍼세포(K) 및 간 성상세포(S)를 추가적으로 공배양 하였을 때, 간 분화 마커 및 기능성 향상 여부를 확인하기 위해 탈세포 간 조직 유래 지지체(LEM)에서 배양된 인간 iPSC 유래 간 오가노이드(HEM)에 이들 미세환경 세포들을 추가적으로 같이 포함하여 공배양 하였다(HEMKS). 구체적으로 공배양된 간 오가노이드(H:E:M:K:S)의 경우 10:7:2:2:1의 비율로 총 400,000개의 세포를 혼합하여 오가노이드를 제작하였다. 이러한 미세환경 세포들을 공배양 하지 않은 그룹(HEM)은 대조군으로 적용하였다. 쿠퍼세포 및 간 성상세포는 앞서 인간 iPSC에서 분화한 세포를 이용하였다. 공배양하고 5일 뒤에 면역염색과 정량적 PCR을 통해 HEM 그룹과 HEMKS 그룹에 대한 비교를 진행하였다.In addition to iPSC-derived hepatocytes (H), vascular endothelial cells (E), and mesenchymal stem cells (M) included in the production of existing iPSC-derived liver organoids, Kupffer cells (K) and hepatic stellate cells (S) additionally present in the liver When additionally co-cultured, these microenvironmental cells were additionally included in human iPSC-derived liver organoids (HEM) cultured on a decellularized liver tissue-derived scaffold (LEM) to confirm liver differentiation markers and functional enhancement. cultured (HEMKS). Specifically, in the case of co-cultured liver organoids (H:E:M:K:S), organoids were prepared by mixing a total of 400,000 cells at a ratio of 10:7:2:2:1. A group (HEM) in which these microenvironmental cells were not co-cultured was applied as a control group. Kupffer cells and hepatic stellate cells were previously differentiated from human iPSCs. After 5 days of co-culture, comparison between the HEM group and the HEMKS group was performed through immunostaining and quantitative PCR.

그 결과, 쿠퍼세포 마커인 CD68과 간 성상세포 마커인 PDGFRB, GFAP, FN, SMA에 대하여 면역염색을 진행했을 때, HEM 오가노이드에서는 각 미세환경 세포의 마커들이 발현되지 않는 반면, HEMKS 오가노이드에서는 해당세포 특이적인 마커들이 발현하는 것을 확인하였다 (도 14A). 특히, 쿠퍼세포와 간 성상세포에 의해 간 분화 마커의 발현도 더욱 증진되는지 확인하기 위해 SOX17, AFP, ALB 발현을 비교했을 때 쿠퍼세포와 간 성상세포를 함께 공배양 한 HEMKS 그룹에서 간 분화 마커의 발현 또한 증가된 것을 확인하였다.As a result, when immunostaining was performed for the Kupffer cell marker CD68 and hepatic stellate cell markers PDGFRB, GFAP, FN, and SMA, markers of each microenvironmental cell were not expressed in HEM organoids, whereas in HEMKS organoids It was confirmed that glycolytic cell-specific markers were expressed (FIG. 14A). In particular, when comparing the expression of SOX17, AFP, and ALB to confirm that the expression of hepatic differentiation markers is further enhanced by Kupffer cells and hepatic stellate cells, in the HEMKS group co-cultured with Kupffer cells and hepatic stellate cells, the expression of liver differentiation markers It was confirmed that expression was also increased.

그리고, 정량적 PCR 분석을 통해 간 특이적인 미세환경이 구축된 HEMKS 오가노이드 그룹과 미세환경 세포가 부재한 HEM 오가노이드 그룹에 대하여 각 마커 유전자 발현을 비교했을 때, 간 분화 마커(HNF4A, ALB)의 발현이 HEMKS 오가노이드에서 유의미하게 증가한 것을 확인하였다 (도 14B). 또한, HEMKS 오가노이드의 경우 기존 HEM 오가노이드에 비해서 간 성상세포가 추가되었기 때문에 성숙한 간 성상세포에서 주로 발현하는 마커인 PDGFRB, COL1A1의 발현이 HEMKS 그룹에서 증가한 것을 확인하였다. 기존 HEM 오가노이드에 존재하는 혈관세포의 경우에도, 미세환경 세포들을 추가로 공배양한 HEMKS 오가노이드에서 10배 이상 발현이 증가한 것을 확인하였다.In addition, when comparing the expression of each marker gene for the HEMKS organoid group in which a liver-specific microenvironment was established through quantitative PCR analysis and the HEM organoid group in which there was no microenvironmental cells, the expression of liver differentiation markers (HNF4A, ALB) It was confirmed that expression significantly increased in HEMKS organoids (FIG. 14B). In addition, in the case of HEMKS organoids, since hepatic stellate cells were added compared to the existing HEM organoids, it was confirmed that the expression of PDGFRB and COL1A1, which are mainly expressed in mature hepatic stellate cells, increased in the HEMKS group. Even in the case of vascular cells present in the existing HEM organoids, it was confirmed that the expression increased more than 10-fold in the HEMKS organoids additionally co-cultured with microenvironmental cells.

이러한 결과를 통해, 간 조직 특이적 미세환경이 통합된 간 오가노이드 모델이 기존 간 오가노이드 모델에 비해 더 높은 간 분화 및 기능성을 지님을 알 수 있으며, 따라서 간 미세환경이 통합된 오가노이드에서 비알콜성 지방간염 모델링을 진행하면 더욱 정확한 질환 표현형을 유도할 수 있을 것으로 기대된다.Through these results, it can be seen that the liver organoid model in which the liver tissue-specific microenvironment is integrated has higher liver differentiation and functionality than the existing liver organoid model, and therefore, it is different from the organoid in which the liver microenvironment is integrated. It is expected that more accurate disease phenotypes can be derived by proceeding with alcoholic steatohepatitis modeling.

실험예 4: 비알콜성 지방간염 (NASH) 오가노이드 모델을 이용한 약물 유효성 평가Experimental Example 4: Evaluation of drug efficacy using non-alcoholic steatohepatitis (NASH) organoid model

실험예 4-1. 인간 조직 유래 비알콜성 지방간염 오가노이드를 이용한 약물 유효성 평가 (1)Experimental Example 4-1. Evaluation of drug efficacy using non-alcoholic steatohepatitis organoids derived from human tissue (1)

탈세포 간 조직 유래 LEM 지지체와 멀티웰 미세유체 디바이스가 결합된 배양 조건에서 간 조직 미세환경[혈관(E)+쿠퍼세포(K)+간 성상세포(S)]이 구축된 간 오가노이드에 지방간염(NASH)을 유발하고 Obeticholic acid (OCA) 약물을 농도별로 처리하였다. OCA (Obeticholic acid) 약물은 반합성 담즙산 유사체로서 기존에 담관염 치료에 이용되던 약물로 최근 비알콜성 지방간염 임상에서 효능이 검증되고 있는 약물 후보군이다. NASH 그룹은 지방산을 800 μM 농도로 3일 동안 처리하여 질환을 유발하고 NASH + OCA 약물 그룹은 800 μM 지방산과 해당 약물을 농도별로 3일 동안 처리하였다.Liver organoids in which a liver tissue microenvironment [vascular (E) + Kupffer cells (K) + hepatic stellate cells (S)] were established under culture conditions in which a decellularized liver tissue-derived LEM scaffold and a multi-well microfluidic device were combined Hepatitis (NASH) was induced and treated with obeticholic acid (OCA) at different concentrations. OCA (Obeticholic acid) is a semi-synthetic bile acid analogue that has been previously used to treat cholangitis and is a drug candidate whose efficacy has recently been verified in non-alcoholic steatohepatitis clinical trials. The NASH group was treated with 800 μM fatty acid for 3 days to induce disease, and the NASH + OCA drug group was treated with 800 μM fatty acid and the corresponding drug for 3 days.

그 결과, 정상 그룹의 오가노이드(Normal)에 비해 지방간 오가노이드(NASH)는 내부에 지방축적이 일어나며 오가노이드 특이적인 형태와 구조가 손상되는데 비해서, Obeticholic acid 약물을 처리한 그룹에서는 농도가 증가함에 따라 오가노이드의 모양과 구조가 회복되고 축적된 지방의 양이 줄어드는 것을 확인하였다 (도 15A). As a result, compared to the organoids of the normal group (Normal), fatty liver organoids (NASH) accumulate fat inside and the organoid-specific shape and structure are damaged, whereas the concentration increases in the group treated with Obeticholic acid drug. It was confirmed that the shape and structure of organoids were restored and the amount of accumulated fat was reduced (FIG. 15A).

그리고, 약물 농도에 따른 세포 독성을 평가하기 위해 약물이 처리된 정상 간 오가노이드의 생존율 (viability) 분석을 진행했을 때, 1 μM에서는 80% 이상, 10 μM에서는 70%, 100 μM 농도 조건에서는 60% 정도의 생존율을 보이는 것을 확인하였다 (도 15B). 즉, OCA 처리 농도가 증가함에 따라 간 독성은 증가하는 것으로 확인되었다.In addition, when the viability analysis of normal liver organoids treated with the drug was performed to evaluate the cytotoxicity according to the drug concentration, it was 80% or more at 1 μM, 70% at 10 μM, and 60% at 100 μM concentration conditions. It was confirmed that the survival rate was about % (FIG. 15B). That is, it was confirmed that liver toxicity increased as the concentration of OCA treatment increased.

또한, 정량적 PCR 분석을 통해 유효약물의 처리 농도별로 질환 마커 유전자 발현을 비교했을 때, 염증 관련 마커(TNFα)와 섬유화 관련 마커(SMA)의 발현이 지방간 오가노이드 그룹(NASH)에서 증가하고 OCA 약물을 처리해 주면 감소하는 것을 확인하였다. 하지만 100 μM 약물 농도에서는 오히려 약물독성에 의해 염증 마커와 섬유화 관련 마커의 발현이 더 증가하는 것을 확인하였다 (도 15C).In addition, when disease marker gene expression was compared by treatment concentration of effective drug through quantitative PCR analysis, the expression of inflammation-related markers (TNFα) and fibrosis-related markers (SMA) increased in the fatty liver organoid group (NASH), and OCA drugs It was confirmed that it decreased when treated with . However, at a drug concentration of 100 μM, it was confirmed that the expression of inflammatory markers and fibrosis-related markers was further increased due to drug toxicity (FIG. 15C).

이러한 결과를 통해 LEM-Chip 배양 조건에서 EC, HSC, KC 세포와 공배양된 NASH 간 오가노이드 모델은 약물의 유효성 및 독성 평가를 위한 비알콜성 지방간염 체외모델로서 적용 가능성이 검증되었다. Through these results, the NASH liver organoid model co-cultured with EC, HSC, and KC cells under LEM-Chip culture conditions was verified as an in vitro non-alcoholic steatohepatitis model for drug efficacy and toxicity evaluation.

실험예 4-2. 인간 조직 유래 비알콜성 지방간염 오가노이드를 이용한 약물 유효성 평가 (2)Experimental Example 4-2. Evaluation of drug efficacy using human tissue-derived non-alcoholic steatohepatitis organoids (2)

탈세포 간 조직 유래 LEM 지지체와 멀티웰 미세유체 디바이스가 결합된 배양 조건에서 간 조직 미세환경[혈관(E)+쿠퍼세포(K)+간 성상세포(S)]이 구축된 간 오가노이드에 지방간염(NASH)을 유발하고 Ezetimibe (Eze) 약물을 농도별로 처리하였다. Eze (Ezetimibe) 약물은 콜레스테롤 흡수 억제제로서 기존에 고혈당 콜레스테롤 및 지질 이상 치료에 사용되던 약물 후보군이다. NASH 그룹은 지방산을 800 μM 농도로 3일 동안 처리하여 질환을 유발하고 NASH + Eze 약물그룹은 800 μM 지방산과 해당 약물을 농도별로 3일 동안 처리하였다. Liver organoids in which a liver tissue microenvironment [vascular (E) + Kupffer cells (K) + hepatic stellate cells (S)] were established under culture conditions in which a decellularized liver tissue-derived LEM scaffold and a multi-well microfluidic device were combined Hepatitis (NASH) was induced and treated with the drug Ezetimibe (Eze) at different concentrations. Eze (Ezetimibe) is a cholesterol absorption inhibitor and is a drug candidate previously used to treat hyperglycemic cholesterol and lipid abnormalities. The NASH group was treated with 800 μM fatty acid for 3 days to induce disease, and the NASH + Eze drug group was treated with 800 μM fatty acid and the corresponding drug for 3 days.

그 결과, 정상 그룹의 오가노이드(Normal)에 비해 지방간 오가노이드(NASH)는 내부에 지방축적이 일어나며 오가노이드 특이적인 형태와 구조가 손상되는데 비해서, Ezetimibe 약물을 처리한 그룹에서는 농도가 증가함에 따라 오가노이드의 모양과 구조가 회복되고 축적된 지방의 양이 줄어드는 것을 확인하였다 (도 16A).As a result, compared to the organoids of the normal group (Normal), fatty liver organoids (NASH) have internal fat accumulation and the organoid-specific shape and structure are damaged. It was confirmed that the shape and structure of organoids were restored and the amount of accumulated fat was reduced (FIG. 16A).

그리고, 약물 농도에 따른 세포 독성을 평가하기 위해 약물이 처리된 정상 간 오가노이드의 생존율 (viability) 분석을 진행했을 때, 1-10 μM 조건에서는 70% 이상, 100 μM 농도 조건에서는 50% 정도의 생존율을 보이는 것을 확인하였다 (도 16B). In addition, when the viability analysis of normal liver organoids treated with the drug was performed to evaluate the cytotoxicity according to the drug concentration, the viability was more than 70% in the 1-10 μM condition and about 50% in the 100 μM concentration condition. It was confirmed that the survival rate was shown (FIG. 16B).

또한, 정량적 PCR 분석을 통해 유효약물의 처리 농도별로 질환 마커 유전자 발현을 비교했을 때, 염증 관련 마커(TNFα)와 섬유화 관련 마커(SMA)의 발현이 지방간 오가노이드 그룹(NASH)에서 증가하고 Ezetimibe 약물을 처리해주면 감소하는 것을 확인하였다. 10 μM 농도 이상 처리되었을 때 정상 오가노이드와 유사한 수준으로 염증 및 섬유화 마커 발현이 감소함을 확인하였다 (도 16C).In addition, when disease marker gene expression was compared for each treatment concentration of the effective drug through quantitative PCR analysis, the expression of inflammation-related markers (TNFα) and fibrosis-related markers (SMA) increased in the fatty liver organoid group (NASH), and Ezetimibe drug It was confirmed that it decreased when treated with . When treated at a concentration of 10 μM or more, it was confirmed that the expression of inflammatory and fibrotic markers was reduced to a level similar to that of normal organoids (FIG. 16C).

이러한 결과를 통해 LEM-Chip 배양 조건에서 EC, HSC, KC 세포와 공배양된 NASH 간 오가노이드 모델은 약물의 유효성 및 독성 평가를 위한 비알콜성 지방간염 체외모델로서 적용 가능성이 검증되었다.Through these results, the NASH liver organoid model co-cultured with EC, HSC, and KC cells under LEM-Chip culture conditions was verified as an in vitro non-alcoholic steatohepatitis model for drug efficacy and toxicity evaluation.

실험예 4-3.Experimental Example 4-3. 인간 조직 유래 비알콜성 지방간염 오가노이드를 이용한 약물 유효성 평가 (3)Evaluation of drug efficacy using non-alcoholic steatohepatitis organoids derived from human tissue (3)

탈세포 간 조직 유래 LEM 지지체와 멀티웰 미세유체 디바이스가 결합된 배양 조건에서 간 조직 미세환경[혈관(E)+쿠퍼세포(K)+간 성상세포(S)]이 구축된 간 오가노이드에 지방간염(NASH)을 유발하고 Dapagliflozin (DAPA) 약물을 농도별로 처리하였다. DAPA (Dapagliflozin) 약물은 sodium-glucose transporter 억제제로서 기존에 당뇨병 치료에 사용되던 약물 후보군이다. NASH 그룹은 지방산을 800 μM 농도로 3일 동안 처리하여 질환을 유발하고 NASH + DAPA 약물그룹은 800 μM 지방산과 해당약물을 농도별로 3일 동안 처리하였다. Liver organoids in which a liver tissue microenvironment [vascular (E) + Kupffer cells (K) + hepatic stellate cells (S)] were established under culture conditions in which a decellularized liver tissue-derived LEM scaffold and a multi-well microfluidic device were combined Hepatitis (NASH) was induced and treated with the drug Dapagliflozin (DAPA) at different concentrations. DAPA (Dapagliflozin) is a sodium-glucose transporter inhibitor and is a drug candidate previously used to treat diabetes. The NASH group was treated with 800 μM fatty acid for 3 days to induce disease, and the NASH + DAPA drug group was treated with 800 μM fatty acid and the corresponding drug for 3 days.

그 결과, 정상 그룹의 오가노이드(Normal)에 비해 지방간 오가노이드(NASH)는 내부에 지방축적이 일어나며 오가노이드 특이적인 형태와 구조가 손상되는데 비해서, Dapagliflozin 약물을 처리한 그룹에서는 농도가 증가함에 따라 오가노이드의 모양과 구조가 회복되고 축적된 지방의 양이 줄어드는 것을 확인하였다 (도 17A).As a result, compared to the organoids of the normal group (Normal), fatty liver organoids (NASH) accumulate fat inside and damage the organoid-specific shape and structure. It was confirmed that the shape and structure of organoids were restored and the amount of accumulated fat was reduced (FIG. 17A).

그리고, 약물 농도에 따른 세포 독성을 평가하기 위해 약물이 처리된 정상 간 오가노이드의 생존율 (viability) 분석을 진행했을 때, 1 μM 농도까지는 생존율에 영향을 미치지 않고 10 μM 조건에서는 80% 이상, 100 μM 농도 조건에서는 60% 정도의 생존율을 보이는 것을 확인하였다 (도 17B). In addition, when the viability analysis of normal liver organoids treated with the drug was performed to evaluate the cytotoxicity according to the drug concentration, the viability was not affected up to 1 μM concentration, and the viability was not affected by 80% or more under the 10 μM condition. In the μM concentration condition, it was confirmed that the survival rate was about 60% (FIG. 17B).

또한, 정량적 PCR 분석을 통해 유효약물의 처리 농도별로 질환 마커 유전자 발현을 비교했을 때, 염증 관련 마커(TNFα), 섬유화 관련 마커(SMA), 지방축적 마커(PLIN2)와 간 성상세포 활성화 마커(PDGFRB) 모두 지방간 오가노이드 그룹(NASH)에서 증가하고 DAPA 처리 농도에 따라 감소하는 것을 확인하였다. 간 분화 마커인 ALB 발현의 경우 지방간 오가노이드 그룹(NASH)에서 감소했다가 DAPA 약물을 처리해주면 다시 기능성을 회복하는 것을 확인하였다 (도 17C).In addition, when disease marker gene expression was compared by treatment concentration of effective drug through quantitative PCR analysis, inflammation-related marker (TNFα), fibrosis-related marker (SMA), fat accumulation marker (PLIN2), and hepatic stellate cell activation marker (PDGFRB) ) were all increased in the fatty liver organoid group (NASH) and decreased according to the DAPA treatment concentration. In the case of ALB expression, which is a marker for liver differentiation, it was confirmed that it decreased in the fatty liver organoid group (NASH) and then recovered again when treated with DAPA drug (FIG. 17C).

이러한 결과를 통해 LEM-Chip 배양 조건에서 EC, HSC, KC 세포와 공배양된 NASH 간 오가노이드 모델은 약물의 유효성 및 독성 평가를 위한 비알콜성 지방간염 체외모델로서 적용 가능성이 검증되었다.Through these results, the NASH liver organoid model co-cultured with EC, HSC, and KC cells under LEM-Chip culture conditions was verified as an in vitro non-alcoholic steatohepatitis model for drug efficacy and toxicity evaluation.

실험예 5: 비알콜성 지방간염 (NASH) 오가노이드 기반 선별된 유효약물의 기전 규명 및 효과Experimental Example 5: Identification of mechanisms and effects of selected effective drugs based on non-alcoholic steatohepatitis (NASH) organoids

실험예 5-1. 인간 조직 유래 간 오가노이드 기반 비알콜성 지방간염 모델에서의 약물 유효성 검증Experimental Example 5-1. Drug validation in human tissue-derived liver organoid-based non-alcoholic steatohepatitis model

LEM-Chip 배양 플랫폼에서 간 미세환경이 통합된 인간 조직 유래 간 오가노이드 모델에 NASH를 유발한 뒤, 앞서 선별한 dapagliflozin(DAPA) 약물을 처리했을 때 지방간염 치료 효과가 있는지 확인하기 위한 분석을 진행하였다. NASH 질환모델을 제작 시 혈관세포(E), 쿠퍼세포(K), 간 성상세포(S)의 필요성을 추가로 검증하기 위해 미세환경 세포가 공배양 되지 않은 오가노이드 모델을 대조군으로 이용하였다. After NASH was induced in a human tissue-derived liver organoid model integrated with the liver microenvironment on the LEM-Chip culture platform, an analysis was conducted to determine whether the previously selected dapagliflozin (DAPA) drug had a therapeutic effect on steatohepatitis. did In order to additionally verify the need for vascular cells (E), Kupffer cells (K), and hepatic stellate cells (S) when creating the NASH disease model, an organoid model in which microenvironmental cells were not co-cultured was used as a control.

그 결과, 간 특이적인 미세환경 세포가 공배양 되어있지 않은 정상 오가노이드 그룹(Normal - EKS)과 공배양 되어있는 정상 그룹(Normal + EKS)에 대하여 면역염색을 실시하여 비교했을 때, 미세환경세포가 공배양된 오가노이드 그룹에서 쿠퍼세포 마커인 CD68과 간 성상세포 마커인 α-SMA을 발현하는 세포가 오가노이드 주변에 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다 (도 18A). 이들 세포가 공배양된 오가노이드 그룹에 NASH를 유발했을 때, 오가노이드 내부와 주변 미세환경 세포에도 일부 지방산이 축적되어 있는 것을 확인했으며, DAPA 약물을 처리해준 그룹에서는 지방산 축적이 감소한 것을 확인하였다. 또한, 간 성상세포 마커이며 동시에 간 섬유화 마커인 α-SMA의 경우에도 NASH + EKS 그룹에서는 오가노이드 내부와 주변 기질, 면역세포에서도 발현하는데 비해 DAPA 약물을 처리한 그룹에서는 α-SMA의 발현이 감소한 것을 확인하였다.As a result, immunostaining was performed on the normal organoid group (Normal - EKS) and the normal group (Normal + EKS) where liver-specific microenvironmental cells were not co-cultured, and microenvironmental cells were compared. It was confirmed that cells expressing CD68, a Kupffer cell marker, and α-SMA, a hepatic stellate cell marker, were distributed around the organoids in the co-cultured organoid group (FIG. 18A). When NASH was induced in the organoid group in which these cells were co-cultured, it was confirmed that some fatty acids were accumulated inside the organoid and also in the surrounding cells of the microenvironment, and it was confirmed that fatty acid accumulation was reduced in the group treated with DAPA drug. In addition, in the case of α-SMA, a hepatic stellate cell marker and at the same time a liver fibrosis marker, in the NASH + EKS group, it was also expressed in the organoids, surrounding matrix, and immune cells, whereas α-SMA expression decreased in the DAPA-treated group. confirmed that

그리고, 정량적 PCR 분석을 통해 미세환경이 구축된 그룹과 오가노이드만 배양된 그룹에 대하여 각각 NASH를 유발하여 공배양 세포(EKS) 유무에 따라 염증(IL-6, IL-1β, TNF-α), 섬유화(SMA, COL1A1, TGF-β), 지방산 생합성(SREBPC1, FAS, ACC) 관련 유전자들의 발현을 비교했을 때, 공배양 세포가 포함되어 있지 않은 오가노이드에 NASH를 유발하면 염증, 섬유화 및 지방산 생합성 관련된 유전자 발현이 증가하지만, 공배양 세포가 포함된 오가노이드에 NASH를 유발했을 때에는 염증, 섬유화 및 지방산 생합성 관련 각 유전자들의 발현 증가폭이 더 큰 것을 확인할 수 있다 (도 18B). 또한, 공배양 세포가 없는 정상 오가노이드(Normal - EKS)에 비해 공배양 세포가 포함된 정상 오가노이드(Normal + EKS)는 기질세포 및 면역세포를 포함하고 있기 때문에 염증, 섬유화 및 지방산 생합성 유전자의 초기 발현 자체에서 차이를 보이기 때문에 공배양 세포가 없는 오가노이드에 NASH 모델을 유발하는 것은 염증, 섬유화 및 지방산 생합성 관련하여 정확하지 않은 정보를 제공할 수 있다. 또한, 미세환경이 통합된 NASH 오가노이드 모델에 DAPA 약물을 처리했을 때, 염증, 섬유화 및 지방산 생합성 관련된 유전자들의 발현이 감소하며 지방간염의 개선 효과를 보이는 것을 확인할 수 있었다.In addition, through quantitative PCR analysis, NASH was induced for the group in which the microenvironment was established and the group in which only organoids were cultured, respectively, resulting in inflammation (IL-6, IL-1β, TNF-α) depending on the presence or absence of co-cultured cells (EKS). , fibrosis (SMA, COL1A1, TGF-β) and fatty acid biosynthesis (SREBPC1, FAS, ACC)-related genes, when NASH was induced in organoids that did not contain co-cultured cells, inflammation, fibrosis and fatty acid Although the expression of genes related to biosynthesis increased, when NASH was induced in organoids containing co-cultured cells, the expression of each gene related to inflammation, fibrosis, and fatty acid biosynthesis increased significantly (FIG. 18B). In addition, compared to normal organoids without co-cultured cells (Normal - EKS), normal organoids with co-cultured cells (Normal + EKS) contain stromal cells and immune cells, thereby increasing the number of genes for inflammation, fibrosis and fatty acid biosynthesis. Because of differences in the initial expression itself, inducing NASH models in organoids without co-cultured cells may provide inaccurate information regarding inflammation, fibrosis, and fatty acid biosynthesis. In addition, when the NASH organoid model integrated with the microenvironment was treated with the DAPA drug, it was confirmed that the expression of genes related to inflammation, fibrosis, and fatty acid biosynthesis was reduced and steatohepatitis was improved.

이러한 결과를 통해, 본 발명에서 개발한 LEM-Chip 기반 간 미세환경이 통합된 인간 조직 유래 NASH 오가노이드 모델이 기존 오가노이드 모델에 비해 보다 정확한 비알콜성 지방간염 질환 표현형을 제시할 수 있는 모델이며, 동시에 해당 모델 기반 신규 발굴한 DAPA 약물이 유효한 지방간염 치료 효과를 보이는 것을 입증하였다.Through these results, the human tissue-derived NASH organoid model integrated with the LEM-Chip-based liver microenvironment developed in the present invention is a model that can present a more accurate non-alcoholic steatohepatitis disease phenotype than existing organoid models. At the same time, it was demonstrated that the newly discovered DAPA drug based on the model showed an effective treatment effect for steatohepatitis.

실험예 5-2. 인간 iPSC 유래 간 오가노이드 기반 비알콜성 지방간염 모델에서의 약물 유효성 검증 (1)Experimental Example 5-2. Drug validation in human iPSC-derived liver organoid-based non-alcoholic steatohepatitis model (1)

LEM-Chip 플랫폼에서 배양된 인간 iPSC 유래 간 오가노이드(HEMKS) 지방간염 모델에서 Dapagliflozin (DAPA)의 약물 유효성을 검증하기 위하여 Normal 그룹, 5일 동안 800 μM Oleic acid를 처리하여 NASH를 유발한 그룹과 800 μM Oleic acid와 50 μM DAPA를 함께 처리한 NASH + DAPA 그룹을 비교 분석하였다. NASH 오가노이드 모델에 대하여 염증반응, 섬유화, mTORC1 기전 관련 마커에 대한 면역염색과 western blot 분석을 진행하였다.To verify the drug efficacy of Dapagliflozin (DAPA) in the human iPSC-derived liver organoid (HEMKS) steatohepatitis model cultured on the LEM-Chip platform, the normal group, the group treated with 800 μM oleic acid for 5 days to induce NASH, and NASH + DAPA groups treated with 800 μM oleic acid and 50 μM DAPA were compared and analyzed. The NASH organoid model was subjected to immunostaining and western blot analysis for markers related to inflammatory response, fibrosis, and mTORC1 mechanism.

그 결과, 면역염색을 통해 섬유화 관련 마커 SMA, 지방산 생합성 관련 마커 ACC, mTORC1 기전 관련 마커 p-S6, p-4EBP1의 발현을 비교했을 때, 정상 오가노이드에 비해 NASH 그룹에서 유의미하게 이러한 마커들이 증가하였으며 DAPA 약물을 처리한 그룹에서는 감소하는 양상을 보이는 것을 확인하였다 (도 19A). 쿠퍼세포 마커인 CD68 염색을 통해 NASH 그룹에서 염증반응이 많이 일어난 p-S6 마커가 과발현 된 부분에 쿠퍼세포들이 주로 분포하고 있는 것을 확인하였다. 간 기능성 마커인 ALB과 축적된 지방산을 표지하는 BODIPY 염색을 통해 NASH 그룹에서는 축적된 지방산은 증가하며 ALB이 감소함을 확인하였으나 DAPA 약물을 처리해준 그룹에서는 지방산 축적이 감소하고 ALB 발현 증가를 통해 간 기능성이 개선된 것을 확인하였다.As a result, when comparing the expression of fibrosis-related marker SMA, fatty acid biosynthesis-related marker ACC, mTORC1 mechanism-related marker p-S6, and p-4EBP1 through immunostaining, these markers were significantly increased in the NASH group compared to normal organoids. and it was confirmed that the group treated with the DAPA drug showed a decreasing pattern (FIG. 19A). Through CD68 staining, a Kupffer cell marker, it was confirmed that Kupffer cells were mainly distributed in areas where the p-S6 marker, which caused a lot of inflammatory response, was overexpressed in the NASH group. Through ALB, a liver functional marker, and BODIPY staining, which marks accumulated fatty acids, it was confirmed that accumulated fatty acids increased and ALB decreased in the NASH group, while fatty acid accumulation decreased and ALB expression increased in the group treated with the DAPA drug. It was confirmed that the functionality was improved.

그리고, western blot 분석을 통해 각 마커 단백질 발현을 확인했을 때에도 섬유화 관련 마커(SMA, Col1A1), 염증 관련 마커(IL1-β, p-IkB/IkB)와 mTORC1 관련 마커(p-4EBP1/4EBP1, p-p70S6K1/p70S6K1, p-S6/S6)의 발현이 NASH 오가노이드에서 증가하고 DAPA 약물을 처리한 그룹에서는 발현이 감소하는 양상을 확인하였다 (도 19B).In addition, when the expression of each marker protein was confirmed through western blot analysis, fibrosis-related markers (SMA, Col1A1), inflammation-related markers (IL1-β, p-IkB/IkB), and mTORC1-related markers (p-4EBP1/4EBP1, p -p70S6K1/p70S6K1, p-S6/S6) expression was increased in NASH organoids and decreased in the group treated with DAPA drug (FIG. 19B).

이러한 결과를 통해, LEM-Chip 배양 조건에서 제작한 인간 iPSC 유래 NASH 오가노이드 모델에서 실제 지방간염과 비슷하게 염증, 섬유화 반응은 증가하는데 비해 신규 발굴한 DAPA 약물에 의해 염증반응, 섬유화 및 mTORC1 관련 단백질 발현이 정상과 비슷하게 회복되는 것을 입증하였다.Through these results, in the human iPSC-derived NASH organoid model prepared under LEM-Chip culture conditions, inflammation and fibrosis responses increased similar to actual steatohepatitis, whereas inflammatory responses, fibrosis and mTORC1-related protein expression by the newly discovered DAPA drug It was demonstrated that the recovery was similar to this normal.

실험예 5-3. 인간 iPSC 유래 간 오가노이드 기반 비알콜성 지방간염 모델에서의 약물 유효성 검증 (2)Experimental Example 5-3. Drug validation in human iPSC-derived liver organoid-based non-alcoholic steatohepatitis model (2)

LEM-Chip 플랫폼에서 배양된 인간 iPSC 유래 간 오가노이드(HEMKS) 지방간염 모델에서 Dapagliflozin (DAPA)의 약물 유효성을 검증하기 위하여 Normal 그룹, 5일 동안 800 μM Oleic acid를 처리하여 NASH를 유발한 그룹과 800 μM Oleic acid와 50 μM DAPA를 함께 처리한 NASH + DAPA 그룹을 비교 분석하였다.To verify the drug efficacy of Dapagliflozin (DAPA) in the human iPSC-derived liver organoid (HEMKS) steatohepatitis model cultured on the LEM-Chip platform, the normal group, the group treated with 800 μM oleic acid for 5 days to induce NASH, and NASH + DAPA groups treated with 800 μM oleic acid and 50 μM DAPA were compared and analyzed.

그 결과, 오가노이드 내부에 섬유화로 인한 콜라겐 축적을 확인하기 위하여 Masson’s Trichrome (MT) 염색을 진행했을 때, 정상 오가노이드 그룹에 비해 NASH 그룹에서 섬유화 동반에 따른 콜라겐 축적량이 유의미하게 증가하고 DAPA를 처리해준 그룹에서 감소한 것을 조직학 염색 및 정량적 분석을 통해 확인하였다 (도 20A).As a result, when Masson's Trichrome (MT) staining was performed to confirm the accumulation of collagen due to fibrosis inside the organoid, the amount of collagen accumulation due to accompanying fibrosis was significantly increased in the NASH group compared to the normal organoid group and treated with DAPA. The decrease in the Haejun group was confirmed through histological staining and quantitative analysis (FIG. 20A).

그리고, 세포 내 축적된 지방산을 염색하는 Oil red O 염색을 통해서도 오가노이드 내부에 붉은색으로 염색되는 지방 축적이 유의미하게 증가하며 DAPA 약물을 처리한 그룹에서 지방산 축적이 감소된 것을 확인하였다 (도 20B)In addition, through Oil red O staining, which stains fatty acids accumulated in cells, it was confirmed that fat accumulation, which is stained red inside organoids, significantly increased, and that fatty acid accumulation was reduced in the group treated with the DAPA drug (FIG. 20B). )

이러한 결과를 통해, LEM-Chip 플랫폼에서 배양된 인간 iPSC 유래 간 오가노이드(HEMKS) 지방간염 모델에서 DAPA 약물의 효능 검증이 가능함을 확인하였다.Through these results, it was confirmed that the efficacy of the DAPA drug can be verified in the human iPSC-derived liver organoid (HEMKS) steatohepatitis model cultured on the LEM-Chip platform.

실험예 5-4. 인간 조직 유래 급성 및 만성 비알콜성 지방간염 오가노이드 모델을 이용한 유효 약물의 효능 비교 및 치료 기전 규명 (1)Experimental Example 5-4. Comparison of effective drug efficacy and identification of treatment mechanism using human tissue-derived acute and chronic non-alcoholic steatohepatitis organoid models (1)

LEM-Chip 플랫폼에서 배양된 인간 조직 유래 간 오가노이드 지방간염(NASH) 모델에 Dapagliflozin (DAPA) 약물의 치료 기전을 규명하고 유효성을 검증하기 위하여 Normal 그룹, NASH를 유발한 그룹과 NASH + DAPA 그룹을 비교 분석하였다. 급성 NASH 모델의 경우 오가노이드에 3일간 800 μM Oleic acid를 처리한 그룹과 3일간 800 μM Oleic acid + 50 μM DAPA 처리를 한 그룹으로 진행하였고, 만성 NASH 모델은 오가노이드에 5일간 800 μM Oleic acid + 20 ng/ml TGF-β를 처리한 그룹과 5일간 800 μM Oleic acid + 20 ng/ml TGF-β + 50 μM DAPA 처리를 한 그룹으로 진행하였다. 인간 조직 유래 급성 및 만성 NASH 오가노이드 모델에 대하여 염증반응, 섬유화, YAP/TAZ, mTORC1 기전 관련 마커들에 대한 western blot 분석을 실시하였다.In order to identify and validate the treatment mechanism of Dapagliflozin (DAPA) drug in human tissue-derived liver organoid steatohepatitis (NASH) model cultured on the LEM-Chip platform, Normal group, NASH-induced group, and NASH + DAPA group were selected. Comparative analysis was performed. In the case of the acute NASH model, organoids were treated with 800 μM oleic acid for 3 days and 800 μM oleic acid + 50 μM DAPA for 3 days, respectively. In the chronic NASH model, organoids were treated with 800 μM oleic acid for 5 days. + 20 ng/ml TGF-β treatment group and 800 μM Oleic acid + 20 ng/ml TGF-β + 50 μM DAPA treatment group for 5 days. Western blot analysis was performed on markers related to inflammatory response, fibrosis, YAP/TAZ, and mTORC1 mechanisms on human tissue-derived acute and chronic NASH organoid models.

Western blot 분석을 통해 섬유화 마커 α-SMA, COL1A1, 염증 마커 p-IkB/IkB, pro-IL1β, YAP/TAZ 기전 관련 마커 p-YAP/YAP과 mTORC1 기전 관련 마커 p-S6/S6, p-p70S6K1/p70S6K1, p-4EBP1/4EBP1 단백질 발현을 비교한 결과, 섬유화 및 염증반응 관련된 단백질의 경우, 정상 오가노이드에 비해 급성 및 만성 NASH 그룹 모두에서 단백질 마커의 발현이 유의미하게 증가하며 이는 DAPA 약물을 처리한 그룹에서 감소하는 것을 확인하였다 (도 21A). 하지만, YAP/TAZ 기전 관련 단백질과 mTORC1 기전 관련 단백질들의 경우에, (1) 급성 NASH 오가노이드에서 발현이 증가하고 DAPA 약물을 처리한 그룹에서는 발현이 감소하는 반면, (2) 만성 NASH 오가노이드에서는 이들 단백질 발현이 현저히 감소하고 DAPA 약물에 의해서 정상과 비슷한 수준으로 다시 회복되는 것을 확인하였다.Through Western blot analysis, fibrosis markers α-SMA, COL1A1, inflammatory markers p-IkB/IkB, pro-IL1β, YAP/TAZ mechanism-related markers p-YAP/YAP and mTORC1 mechanism-related markers p-S6/S6, p-p70S6K1 As a result of comparing the expression of /p70S6K1 and p-4EBP1/4EBP1 proteins, the expression of protein markers significantly increased in both the acute and chronic NASH groups compared to normal organoids in the case of proteins related to fibrosis and inflammatory response, which was treated with DAPA drug. It was confirmed that it decreased in one group (FIG. 21A). However, in the case of YAP/TAZ mechanism-related proteins and mTORC1 mechanism-related proteins, (1) the expression increased in acute NASH organoids and decreased in the DAPA drug-treated group, whereas (2) in chronic NASH organoids It was confirmed that the expression of these proteins significantly decreased and recovered to a level similar to normal by the DAPA drug.

그리고, 3번의 반복실험을 통해 정량을 진행했을 때에도, 섬유화 및 염증반응 관련된 마커의 발현은 급성 및 만성 NASH 모델 모두에서 DAPA에 의해 현저히 감소함을 확인하였다 (도 21B). 하지만, YAP/TAZ 기전 관련 단백질과 mTORC1 기전 관련 단백질의 발현은 급성모델에서 증가하며 만성모델에서는 현저히 감소하는데 DAPA 약물에 의해 정상 오가노이드와 비슷하게 발현이 회복됨을 확인하였다. And, even when quantification was performed through three repetitions of the experiment, it was confirmed that the expression of markers related to fibrosis and inflammatory response was significantly reduced by DAPA in both acute and chronic NASH models (FIG. 21B). However, the expression of YAP/TAZ mechanism-related proteins and mTORC1 mechanism-related proteins increased in the acute model and significantly decreased in the chronic model, and it was confirmed that the expression was restored similarly to normal organoids by the DAPA drug.

이러한 결과를 통해, 인간 조직 유래 오가노이드 모델에 급성 및 만성 비알콜성 지방간염을 유발했을 때, 급성 모델에서는 YAP/TAZ 및 mTORC1 관련된 단백질 발현이 증가하였고 만성 모델에서는 관련 단백질 발현이 감소하였는데 본 발명에서 신규 발굴된 유효 약물인 DAPA에 의해 과발현 또는 감소된 단백질 발현이 정상 수준으로 회복되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명에서 구축된 인간 NASH 오가노이드 모델은 NASH 치료를 위한 유효 약물의 발굴뿐 아니라 해당 약물의 분자적 수준에서의 치료 기전을 규명하는 연구에도 활용될 수 있음이 검증된다.Through these results, when acute and chronic nonalcoholic steatohepatitis were induced in human tissue-derived organoid models, the expression of YAP/TAZ and mTORC1-related proteins increased in the acute model and decreased in the chronic model. It was confirmed that the over- or reduced protein expression was restored to a normal level by DAPA, a newly discovered effective drug. Therefore, it is verified that the human NASH organoid model constructed in the present invention can be used not only for discovering effective drugs for NASH treatment, but also for research to identify the therapeutic mechanism at the molecular level of the drug.

실험예 5-5. 인간 조직 유래 급성 및 만성 비알콜성 지방간염 오가노이드 모델을 이용한 유효 약물의 효능 비교 및 치료 기전 규명 (2)Experimental Example 5-5. Comparison of efficacy of effective drugs and identification of treatment mechanisms using human tissue-derived acute and chronic non-alcoholic steatohepatitis organoid models (2)

LEM-Chip 플랫폼에서 배양된 인간 조직 유래 급성 및 만성 NASH 오가노이드 모델에 대하여 앞서 western blot 분석으로 확인한 단백질 발현 결과의 재현성을 확인하기 위해 간 기능성, 섬유화, mTORC1 기전 관련 마커에 대한 면역염색을 진행하였다.In order to confirm the reproducibility of the protein expression results confirmed by western blot analysis for acute and chronic NASH organoid models derived from human tissue cultured on the LEM-Chip platform, immunostaining was performed for markers related to liver function, fibrosis, and mTORC1 mechanism. .

LEM-Chip 플랫폼에서 배양된 인간 조직 유래 오가노이드 모델에 급성 및 만성 NASH를 효율적으로 유발하기 위하여 지방산 처리 농도, 처리 기간 및 섬유화 유발 사이토카인 처리 여부 등을 다르게 적용하여 최적화된 모델을 확립하였다. 급성 NASH 모델의 경우, 이전 조건과 같이 오가노이드에 3일간 800 μM Oleic acid만을 처리하였고 만성 NASH 모델의 경우, 오가노이드에 5일간 800 μM Oleic acid와 섬유화 사이토카인 20 ng/ml TGF-β를 처리하여 유발하였다. DAPA 약물 테스트의 경우 급성 모델에 대해서는 3일간 800 μM Oleic acid + 50 μM DAPA를 처리하였고, 만성 모델에 대해서는 5일간 800 μM Oleic acid + 20 ng/ml TGF-β + 50 μM DAPA를 처리하여 진행하였다 (도 22A).In order to efficiently induce acute and chronic NASH in the human tissue-derived organoid model cultured on the LEM-Chip platform, an optimized model was established by applying different concentrations of fatty acid treatment, treatment period, and fibrosis-inducing cytokine treatment. In the case of the acute NASH model, organoids were treated with only 800 μM oleic acid for 3 days as in the previous condition, and in the case of the chronic NASH model, organoids were treated with 800 μM oleic acid and 20 ng/ml TGF-β, a fibrotic cytokine, for 5 days. caused it. In the case of the DAPA drug test, 800 μM Oleic acid + 50 μM DAPA was treated for 3 days for the acute model, and 800 μM Oleic acid + 20 ng/ml TGF-β + 50 μM DAPA was treated for 5 days for the chronic model. (FIG. 22A).

인간 조직 유래 NASH 오가노이드 모델에 지방산을 3일동안 처리하여 유발한 급성 모델에 대하여 면역염색을 진행했을 때, 간 기능성 관련 마커인 AFP의 경우 NASH 오가노이드 모델에서 감소하다가 DAPA 약물을 처리한 그룹에서 기능성이 일부 회복된 것을 확인할 수 있으며, 섬유화 관련 α-SMA 마커의 경우 NASH 유발 그룹에서 발현이 증가하며 DAPA 약물을 처리한 그룹에서 감소하는 것을 확인하였다. mTORC1 기전 관련 p-S6와 p-P70S6K1의 발현을 비교했을 때, 정상 오가노이드에 비해 급성 NASH 모델에서는 증가하며 DAPA 약물에 의해 감소하는 것을 확인하였다 (도 22B). When immunostaining was performed on the acute model induced by treating the human tissue-derived NASH organoid model with fatty acids for 3 days, AFP, a liver function-related marker, decreased in the NASH organoid model, but in the DAPA drug-treated group It was confirmed that the functionality was partially restored, and in the case of the fibrosis-related α-SMA marker, it was confirmed that the expression increased in the NASH-induced group and decreased in the DAPA drug-treated group. Comparing the expression of p-S6 and p-P70S6K1 related to the mTORC1 mechanism, it was confirmed that the expression of p-S6 and p-P70S6K1 was increased in the acute NASH model compared to normal organoids and decreased by the DAPA drug (FIG. 22B).

인간 조직 유래 NASH 오가노이드 모델에 지방산과 TGF-β를 5일동안 처리하여 유발한 만성 모델에 대하여 면역염색을 진행했을 때, 간 기능성 관련 마커인 AFP의 경우 NASH 오가노이드 모델에서 감소하다가 DAPA 약물을 처리한 그룹에서 기능성이 일부 회복된 것을 확인할 수 있으며, 섬유화 관련 α-SMA 마커의 경우 NASH 유발 그룹에서 발현이 증가하며 DAPA 약물을 처리한 그룹에서 감소하는 것을 확인하였다. 특히, 급성 보다 만성으로 유발한 NASH 모델에서 α-SMA 마커 발현이 크게 증가한 것을 확인할 수 있다. mTORC1 기전 관련 p-S6와 p-P70S6K1의 발현을 비교했을 때, 정상 오가노이드에 비해 만성 NASH 모델에서는 감소하며 DAPA 약물에 의해 발현이 회복되는 것을 확인하였다 (도 22C). When immunostaining was performed on a chronic model induced by treating a human tissue-derived NASH organoid model with fatty acids and TGF-β for 5 days, AFP, a liver function-related marker, decreased in the NASH organoid model, then DAPA drug was used. It was confirmed that some of the functionality was recovered in the treated group, and in the case of the fibrosis-related α-SMA marker, it was confirmed that the expression increased in the NASH-induced group and decreased in the DAPA drug-treated group. In particular, it can be confirmed that the α-SMA marker expression greatly increased in the NASH model induced chronically rather than acutely. Comparing the expression of p-S6 and p-P70S6K1 related to the mTORC1 mechanism, it was confirmed that the expression decreased in the chronic NASH model compared to normal organoids and was restored by the DAPA drug (FIG. 22C).

이러한 결과를 통해, 인간 조직 유래 오가노이드 모델에 급성 및 만성 비알콜성 지방간염을 유발했을 때, western blot 분석 결과와 동일하게 급성 모델에서는 mTORC1 관련 단백질 발현이 증가하며 만성 모델에서는 관련 단백질 발현이 감소하는 것이 관찰되었고 신규 발굴된 유효 약물인 DAPA에 의해 과발현 또는 감소된 단백질 발현이 정상 수준으로 회복되는 것을 확인하였다.Through these results, when acute and chronic non-alcoholic steatohepatitis were induced in human tissue-derived organoid models, mTORC1-related protein expression increased in the acute model and decreased in the chronic model, identical to the western blot analysis results. It was observed that the over- or reduced protein expression was restored to normal levels by DAPA, a newly discovered effective drug.

실험예 6: 비알콜성 지방간염 (NASH) 오가노이드 모델에서 발굴된 신규 치료 약물의 유효성 평가 및 관련 기전 검증 (NASH 동물모델에서 약물의 효능 평가 및 기전 연구)Experimental Example 6: Efficacy evaluation and related mechanism verification of novel therapeutic drugs discovered in non-alcoholic steatohepatitis (NASH) organoid model (Evaluation of drug efficacy and mechanism study in NASH animal model)

실험예 6-1. 비알콜성 지방간염 동물모델에서의 DAPA 약물 유효성 검증 (1)Experimental Example 6-1. DAPA drug efficacy verification in non-alcoholic steatohepatitis animal model (1)

지방간염 (NASH) 오가노이드 모델을 통해 발굴되고 NASH 치료 효능이 검증된 Dapagliflozin (DAPA) 약물이 실제 NASH 동물모델에서도 효과가 있는지 확인하기 위하여 초기 비알콜성 지방간염을 마우스에 유발하고 DAPA 약물을 5 mg/kg의 농도로 day 2에 1회 투여하였다. In order to confirm that Dapagliflozin (DAPA), which was discovered through a steatohepatitis (NASH) organoid model and whose efficacy in NASH treatment was verified, is also effective in an actual NASH animal model, early non-alcoholic steatohepatitis was induced in mice and DAPA drug was administered to 5 It was administered once on day 2 at a concentration of mg/kg.

본 실험에서 유발한 Fa/R (Fasting overnight, refed with high-carbohydrate, fat-free diet) 모델은 실제 비알콜성 지방간염 환자의 지방산 생합성 과정(De novo lipogenesis)을 잘 모사할 수 있는 모델로서 하룻동안 사료 급여를 하지 않은 뒤, 고탄수화물/무지방 사료로 나머지 하룻동안 급성으로 지방간염을 유발하는 모델이다. DAPA 약물은 Fa/R 사료를 투여하는 시점에 경구 투여로 5 mg/kg의 농도로 1회 투여하였다 (도 23A).The Fa/R (Fasting overnight, refed with high-carbohydrate, fat-free diet) model induced in this experiment is a model that can well simulate the fatty acid biosynthesis process (De novo lipogenesis) of patients with actual non-alcoholic steatohepatitis. This is a model that acutely induces steatohepatitis with a high-carbohydrate/fat-free diet for the rest of the day after not feeding during the day. DAPA drug was administered once at a concentration of 5 mg/kg by oral administration at the time of administration of the Fa/R feed (FIG. 23A).

정상, Fa/R, Fa/R + DAPA 그룹의 마우스로부터 간 조직을 수거하고 H&E 염색과 MT 염색을 진행했을 때, Fa/R 그룹의 간 조직에 지방산 축적이 많이 관찰되었으며 섬유화 반응으로 인한 콜라겐이 내부에 축적된 것을 확인하였다. 이에 비해, DAPA 약물을 투여한 그룹은 지방산 축적이 감소하고 섬유화 증상이 개선되었다. 콜라겐이 염색된 면적을 정량 분석했을 때에도 DAPA 약물을 투여한 그룹의 간 조직에서 콜라겐 면적이 감소한 것을 확인하였다 (도 23B).When liver tissues were collected from mice in the normal, Fa/R, and Fa/R + DAPA groups and subjected to H&E staining and MT staining, a lot of fatty acid accumulation was observed in the liver tissues of the Fa/R group, and collagen due to the fibrotic reaction was observed. It was confirmed that it accumulated inside. In contrast, in the group administered with DAPA, fatty acid accumulation was reduced and fibrosis symptoms were improved. Even when the collagen-stained area was quantitatively analyzed, it was confirmed that the collagen area was decreased in the liver tissue of the DAPA drug-administered group (FIG. 23B).

그리고, 3-Nitrotyrosine(3-NT)는 간에서 활성 산소종(reactive oxygen species)의 증가로 인해 축적되며 지방간염이나 섬유화가 일어난 간 조직에서 높게 발현되었다. DAPA 약물에 의한 산화 스트레스(oxidative stress) 감소 효과를 확인하기 위해 간 조직의 단백질 성분을 추출하여 3-NT 단백질에 대한 western whole blotting 분석을 진행했을 때, Fa/R 그룹에서는 3-NT 발현이 증가하는데 비해 DAPA 약물을 처리한 그룹에서는 유의미한 감소를 보임을 확인하였다 (도 23C).In addition, 3-Nitrotyrosine (3-NT) is accumulated due to an increase in reactive oxygen species in the liver and is highly expressed in steatohepatitis or fibrotic liver tissue. To confirm the effect of reducing oxidative stress by DAPA drug, protein components of liver tissue were extracted and western whole blotting analysis was conducted for 3-NT protein. In the Fa/R group, 3-NT expression increased. However, it was confirmed that a significant decrease was observed in the group treated with the DAPA drug (FIG. 23C).

간은 Lipopolysaccharide(LPS)를 해독하는 기능을 담당하는데 지방간이 유발되면 간세포의 기능이 떨어지면서 serum LPS 양이 증가하게 된다. 섬유화가 일어나면서 collagen 축적양이 증가하기 때문에 섬유화로 인해 증가된 collagen에 다량 존재하는 하이드록시프롤린(Hydroxyproline)의 경우에도 지방간염에 의한 섬유화의 지표로 사용된다. Serum LPS와 albumin은 day 3에 전혈 채혈을 통한 혈액 분석으로 측정하였으며 하이드록시프롤린은 해당 단백질에 대한 ELISA 분석을 통해 농도를 정량 하였다. 정상 그룹에 비해 Fa/R 그룹에서 LPS와 하이드록시프롤린의 양이 증가하며 DAPA 약물을 처리한 그룹에서 감소하는 것을 확인하였다 (도 23D). Serum albumin의 경우 간 기능성의 지표로서 Fa/R 그룹에서 감소하며 DAPA 약물에 의해 회복되는 것을 확인할 수 있다.The liver is responsible for the function of detoxifying lipopolysaccharide (LPS), and when fatty liver is induced, the function of hepatocytes decreases and the amount of serum LPS increases. Since the accumulation of collagen increases as fibrosis occurs, hydroxyproline, which is present in large amounts in collagen increased due to fibrosis, is also used as an indicator of fibrosis caused by steatohepatitis. Serum LPS and albumin were measured by blood analysis through whole blood collection on day 3, and the concentration of hydroxyproline was quantified through ELISA analysis for the corresponding protein. Compared to the normal group, it was confirmed that the amount of LPS and hydroxyproline increased in the Fa/R group and decreased in the group treated with the DAPA drug (FIG. 23D). Serum albumin, as an indicator of liver function, decreased in the Fa/R group and was recovered by the DAPA drug.

이러한 결과를 통해, NASH 오가노이드 모델에서 효능이 검증된 DAPA 약물이 급성 초기 비알콜성 지방간염을 유발한 동물모델에서도 마찬가지로 효과가 있음이 검증되어 본 발명에서 구축된 NASH 오가노이드 모델이 지방간염 치료물질 발굴을 위한 체외모델로서 적용 가능함을 확인하였다.Through these results, it was verified that the DAPA drug, whose efficacy was verified in the NASH organoid model, was equally effective in an animal model that induced acute early non-alcoholic steatohepatitis. It was confirmed that it can be applied as an in vitro model for material discovery.

실험예 6-2. 비알콜성 지방간염 동물모델에서의 DAPA 약물 유효성 검증 (2)Experimental Example 6-2. DAPA drug efficacy verification in non-alcoholic steatohepatitis animal model (2)

지방간염 (NASH) 오가노이드 모델에서 효능이 검증된 Dapagliflozin (DAPA) 약물이 실제 NASH 동물모델에서도 효과가 있는지 확인하기 위하여 초기 비알콜성 지방간염을 마우스에 유발하고 약물을 경구 투여하였다 (5 mg/kg). 모델 유발 및 약물 투여가 종료된 Day 3에 분석을 진행하였다.To confirm that Dapagliflozin (DAPA), whose efficacy has been verified in the NASH organoid model, is also effective in the actual NASH animal model, early non-alcoholic steatohepatitis was induced in mice and the drug was orally administered (5 mg/day). kg). Analysis was performed on Day 3 when model induction and drug administration were completed.

정상, Fa/R, Fa/R + DAPA 그룹의 마우스 간 조직에 대하여 세포사멸(apoptosis)을 검출하는 TUNEL 염색을 진행했을 때, Fa/R 그룹에서 TUNEL 세기가 증가하고 DAPA 약물에 의해 감소된 것을 확인함으로써 지방간염으로 인한 조직의 괴사가 DAPA 약물에 의해 저해됨을 확인하였다 (도 24A).When TUNEL staining to detect apoptosis was performed on the liver tissues of mice in the normal, Fa/R, and Fa/R + DAPA groups, TUNEL intensity increased in the Fa/R group and decreased by DAPA drug. By confirming, it was confirmed that necrosis of tissues due to steatohepatitis was inhibited by the DAPA drug (FIG. 24A).

DAPA 약물에 의한 산화 스트레스(oxidative stress) 감소 효과를 확인하기 위해 간 조직 내 3-Nitrotyrosine (3-NT) 단백질에 대한 면역조직화학염색 (immunohistochemistry; IHC) 분석을 진행했을 때에도, Fa/R 그룹에서 간세포의 팽창(ballooning)으로 인해 3-NT를 발현하는 세포가 증가하는데 비해 DAPA 약물을 처리한 그룹에서는 유의미한 감소를 확인하였다 (도 24B).Even when immunohistochemistry (IHC) analysis was performed for 3-Nitrotyrosine (3-NT) protein in liver tissue to confirm the effect of reducing oxidative stress by DAPA, the Fa/R group Compared to the increase in cells expressing 3-NT due to ballooning of hepatocytes, a significant decrease was confirmed in the group treated with the DAPA drug (FIG. 24B).

각 그룹의 간 조직에 대한 정량적 PCR 분석을 진행했을 때, 염증반응 관련 IL-6, IL-1β, TNF-α의 발현과 섬유화 관련 COL1A1, SMA, TGF-β의 발현이 급성 NASH 모델인 Fa/R 그룹에서 증가하며 DAPA 약물에 의해 감소하는 것을 확인하였다 (도 24C).When quantitative PCR analysis was performed on the liver tissue of each group, the expression of inflammatory response-related IL-6, IL-1β, and TNF-α and the expression of fibrosis-related COL1A1, SMA, and TGF-β were found in the acute NASH model Fa// It was confirmed that it increased in the R group and decreased by the DAPA drug (FIG. 24C).

혈액학 분석을 통해 간 독성 지표인 ALT를 분석했을 때에도 정상 마우스 그룹에 비해 Fa/R 모델에서 10배 정도 ALT가 증가하였는데 DAPA 약물에 의해 ALT 수치가 현저히 감소함을 확인하였다 (도 24D).When ALT, which is an indicator of liver toxicity, was also analyzed through hematology analysis, ALT was increased about 10 times in the Fa/R model compared to the normal mouse group, and it was confirmed that the ALT level was significantly decreased by the DAPA drug (FIG. 24D).

이러한 결과를 통해, NASH 오가노이드 모델에서 효능이 검증된 DAPA 약물이 급성 비알콜성 지방간염을 유발한 동물모델에서 효과가 있음을 검증하였다.Through these results, it was verified that the DAPA drug, whose efficacy was verified in the NASH organoid model, was effective in an animal model that induced acute non-alcoholic steatohepatitis.

실시예 6-3. 비알콜성 지방간염 동물모델에서의 DAPA 약물 유효성 검증 (3)Example 6-3. DAPA drug efficacy verification in non-alcoholic steatohepatitis animal model (3)

지방간염 (NASH) 오가노이드 모델에서 효능이 검증된 Dapagliflozin (DAPA) 약물이 실제 NASH 동물모델에서도 효과가 있는지 확인하기 위하여 병변이 심한 비알콜성 지방간염을 마우스에 유발하고 약물을 투여하였다. In order to confirm that Dapagliflozin (DAPA), whose efficacy has been verified in the NASH organoid model, is also effective in the actual NASH animal model, non-alcoholic steatohepatitis with severe lesions was induced in mice and the drug was administered.

본 실험에서 유발한 CDAHFD (Choline-deficient, L-amino acid-defined, high-fat diet) 모델은 비알콜성 지방간염이 심한 환자에서 섬유화를 동반하는 NASH-related fibrosis를 잘 모사할 수 있는 모델로서 8주 동안 콜린이 결핍된 고지방 식이로 만성적으로 지방간염을 유발하는 모델이다. DAPA 약물은 CDAHFD 식이 유발 후 4주가 되는 시점부터 일주일에 3회 투여 주기로 5 mg/kg의 농도로 경구 투여를 통해 주입하였다 (도 25A).The CDAHFD (Choline-deficient, L-amino acid-defined, high-fat diet) model induced in this experiment is a model that can well simulate NASH-related fibrosis accompanied by fibrosis in patients with severe non-alcoholic steatohepatitis. This is a model of chronic steatohepatitis caused by choline-deficient high-fat diet for 8 weeks. The DAPA drug was injected via oral administration at a concentration of 5 mg/kg in an administration cycle of 3 times a week from 4 weeks after the CDAHFD diet was induced (FIG. 25A).

정상, CDAHFD, CDAHFD + DAPA 그룹의 마우스로부터 8주차에 수거된 간 조직에 대해서 H&E 염색과 MT 염색을 진행했을 때, CDAHFD 그룹에서 지방산 축적이 심하게 일어나며 섬유화 반응으로 인해 콜라겐이 내부에 과량 축적된 것을 확인하였다. 이를 통해 CDAHFD 모델이 앞선 Fa/R 모델에 비해 섬유화가 더 강하게 유발되는 모델임을 확인할 수 있다. 이에 비해, DAPA 약물을 투여한 그룹은 지방 축적이 감소하고 섬유화 증상이 개선된 것을 확인하였다. 콜라겐이 염색된 면적을 정량 분석했을 때에도 DAPA 약물을 투여한 그룹에서 유의미하게 감소한 것을 확인하였다 (cv: central vein, 중심정맥) (도 25B).When H&E staining and MT staining were performed on liver tissues collected at week 8 from mice in the normal, CDAHFD, and CDAHFD + DAPA groups, fatty acid accumulation occurred severely in the CDAHFD group, and collagen was excessively accumulated inside due to the fibrotic reaction. Confirmed. Through this, it can be confirmed that the CDAHFD model is a model that induces fibrosis more strongly than the previous Fa/R model. In contrast, in the group administered with the DAPA drug, it was confirmed that fat accumulation was reduced and fibrosis symptoms were improved. Even when the collagen-stained area was quantitatively analyzed, it was confirmed that it was significantly decreased in the group administered with the DAPA drug (cv: central vein) (FIG. 25B).

3-Nitrotyrosine(3-NT)는 간에서 활성산소종(reactive oxygen species)의 증가로 인해 축적되며 지방간염이나 섬유화가 일어난 간 조직에서 높게 발현되었다. DAPA 약물에 의한 산화 스트레스(oxidative stress) 감소 효과를 확인하기 위해 8주차에 간 조직의 단백질 성분을 추출하여 3-NT 단백질에 대한 western whole blotting 분석을 진행했을 때, CDAHFD 그룹에서 3-NT 발현이 증가하는데 비해 DAPA 약물을 처리한 그룹에서는 유의미하게 감소됨을 확인하였다 (도 25C). 3-Nitrotyrosine (3-NT) accumulates due to increased reactive oxygen species in the liver and is highly expressed in steatohepatitis or fibrotic liver tissue. To confirm the effect of reducing oxidative stress by DAPA drug, protein components of liver tissue were extracted at 8 weeks and western whole blotting analysis was conducted for 3-NT protein. In the CDAHFD group, 3-NT expression was Compared to the increase, it was confirmed that the group treated with the DAPA drug significantly decreased (FIG. 25C).

앞선 Fa/R 모델과 마찬가지로 간 독성 지표인 serum LPS와 하이드록시프롤린의 양을 8주차에 확인했을 때, 정상 그룹에 비해 CDAHFD 그룹에서 serum LPS와 하이드록시프롤린의 양이 증가하였으며 DAPA 약물을 처리한 그룹에서는 감소하는 것을 확인하였다. Serum albumin의 경우 간 기능성 지표로서 CDAHFD 그룹에서 감소하며 DAPA 약물에 의해 회복되는 것을 확인할 수 있다 (도 25D).Similar to the previous Fa/R model, when the amounts of serum LPS and hydroxyproline, which are indicators of liver toxicity, were checked at week 8, the amounts of serum LPS and hydroxyproline were increased in the CDAHFD group compared to the normal group, and the DAPA drug-treated A decrease was observed in the group. Serum albumin, as an indicator of liver function, decreased in the CDAHFD group and was recovered by the DAPA drug (FIG. 25D).

이러한 결과를 통해, NASH 오가노이드 모델에서 효능이 검증된 DAPA 약물이 만성 비알콜성 지방간염을 유발한 동물모델에서도 마찬가지로 효과가 있음이 검증되어 본 발명에서 구축된 NASH 오가노이드 모델이 지방간염 치료물질 발굴을 위한 체외모델로서 적용 가능함을 확인하였다.Through these results, it was verified that the DAPA drug, whose efficacy was verified in the NASH organoid model, was equally effective in an animal model that induced chronic non-alcoholic steatohepatitis. It was confirmed that it can be applied as an in vitro model for excavation.

실험예 6-4. 비알콜성 지방간염 동물모델에서의 DAPA 약물 유효성 검증 (4)Experimental Example 6-4. Validation of DAPA drug efficacy in non-alcoholic steatohepatitis animal model (4)

지방간염 (NASH) 오가노이드 모델에서 효능이 검증된 Dapagliflozin (DAPA) 약물이 실제 NASH 동물모델에서도 효과가 있는지 확인하기 위하여 병변이 심한 비알콜성 지방간염을 마우스에 유발하고 약물을 투여하였다. 약물은 4주차부터 5 mg/kg의 농도로 일주일에 3번 주기로 경구 투여하였다. 정량적 PCR 분석은 8주차 실험종료 시점에 진행하였다.In order to confirm that Dapagliflozin (DAPA), whose efficacy has been verified in the NASH organoid model, is also effective in the actual NASH animal model, non-alcoholic steatohepatitis with severe lesions was induced in mice and the drug was administered. The drug was orally administered three times a week at a concentration of 5 mg/kg from the 4th week. Quantitative PCR analysis was performed at the end of the 8th week experiment.

8주차 실험종료 시점에 각 그룹에 대하여 간 조직의 크기를 확인하였을 때 CDAHFD 만성 비알콜성 지방간염 모델은 간 조직의 팽창(ballooning)이 심하게 일어나 부피가 커졌는데 DAPA 약물을 처리한 그룹의 간 조직의 경우에는 ballooning 현상이 감소된 것을 확인하였다 (도 26A).When the size of the liver tissue was checked for each group at the end of the 8th week of the experiment, the CDAHFD chronic non-alcoholic steatohepatitis model showed severe ballooning of the liver tissue and increased in volume. The liver tissue of the DAPA drug-treated group In the case of , it was confirmed that the ballooning phenomenon was reduced (FIG. 26A).

정상, CDAHFD, CDAHFD + DAPA 그룹의 마우스로부터 수거된 간 조직에 대하여 8주차에 정량적 PCR 분석을 진행했을 때, 염증반응 관련 IL-6, IL-1β, TNF-α의 발현과 섬유화 관련 COL1A1, SMA, TGF-β의 발현이 만성 NASH 모델인 CDAHFD 그룹에서 증가하며 DAPA 약물에 의해 감소하는 것을 확인하였다 (도 26B).Quantitative PCR analysis was performed on liver tissues collected from mice of the normal, CDAHFD, and CDAHFD + DAPA groups at week 8. Expression of IL-6, IL-1β, and TNF-α related to inflammatory response and COL1A1 and SMA related to fibrosis , It was confirmed that the expression of TGF-β was increased in the CDAHFD group, which is a chronic NASH model, and decreased by the DAPA drug (FIG. 26B).

이러한 결과를 통해, NASH 오가노이드 모델에서 효능이 검증된 DAPA 약물이 급성 초기 NASH 또는 만성 NASH를 유발한 동물모델 모두에서도 지방간염 개선 효과가 있음이 검증되었다.Through these results, it was verified that the DAPA drug, whose efficacy was verified in the NASH organoid model, had an improvement effect on steatohepatitis in both animal models that induced acute early NASH or chronic NASH.

실험예 6-5. 급성 및 만성 비알콜성 지방간염 동물모델에서의 유효 약물의 효능 비교 및 치료 기전 규명 (1)Experimental Example 6-5. Comparison of efficacy of effective drugs in acute and chronic non-alcoholic steatohepatitis animal models and identification of treatment mechanisms (1)

급성 및 만성 비알콜성 지방간염 동물모델에서 유효성이 검증된 DAPA 약물이 앞서 급성 및 만성 NASH 간 오가노이드 모델에서 확인된 동일한 치료 기전에 따라 동물모델에서도 작용하는지 검증하기 위하여 western blot 분석과 이를 기반으로 마커 정량 분석을 실시하였다. 급성 및 만성 비알콜성 지방간염 동물모델은 각각 Fa/R과 CDAHFD 사료로 유발한 모델을 사용하였다.In order to verify that the DAPA drug, which has been validated in acute and chronic non-alcoholic steatohepatitis animal models, works in animal models according to the same treatment mechanism previously identified in acute and chronic NASH liver organoid models, western blot analysis and based on this Marker quantification analysis was performed. Acute and chronic non-alcoholic steatohepatitis animal models were induced by Fa/R and CDAHFD feed, respectively.

Western blot 분석을 통해 섬유화 관련 α-SMA, COL1A1, 염증 관련 p-IkB/IkB, pro-IL1β, mTORC1 기전 관련 p-S6/S6, p-p70S6K1/p70S6K1, p-4EBP1/4EBP1의 발현을 비교했을 때, 정상 마우스의 간 조직에 비해 급성(Fa/R) 및 만성(CDAHFD) NASH 그룹의 간 조직 모두에서 섬유화 및 염증반응 관련 마커 단백질의 발현이 유의미하게 증가하였으며 DAPA 약물을 처리한 그룹에서는 해당 마커들의 발현이 감소하는 것을 확인하였다. mTORC1 기전 관련 단백질들의 경우에는 급성 NASH 동물모델(Fa/R)에서는 발현이 증가하고 DAPA 약물을 처리한 그룹에서 감소하는 반면, 만성 NASH 동물모델(CDAHFD)에서는 mTORC1 관련 단백질 발현이 현저히 감소하고 DAPA 약물에 의해 정상과 비슷한 수준으로 회복되는 것을 확인하였다 (도 27A). Western blot analysis compared the expression of fibrosis-related α-SMA, COL1A1, inflammation-related p-IkB/IkB, pro-IL1β, mTORC1 mechanism-related p-S6/S6, p-p70S6K1/p70S6K1, and p-4EBP1/4EBP1. Compared to the liver tissue of normal mice, the expression of marker proteins related to fibrosis and inflammatory response was significantly increased in both acute (Fa/R) and chronic (CDAHFD) liver tissues of the NASH group, and in the DAPA drug-treated group, the corresponding markers It was confirmed that their expression decreased. In the case of mTORC1 mechanism-related proteins, their expression increased in the acute NASH animal model (Fa/R) and decreased in the DAPA drug-treated group, whereas in the chronic NASH animal model (CDAHFD), mTORC1-related protein expression significantly decreased and DAPA drug It was confirmed that it was recovered to a level similar to normal by (FIG. 27A).

Western blot의 반복실험을 통한 정량분석을 진행하였을 때에도 급성 및 만성모델에서 섬유화 관련 단백질과 염증관련 단백질들의 양은 증가하며 DAPA약물에 의해 낮아지고, mTORC1 관련된 단백질의 경우 급성모델에서 증가한 발현량이 DAPA 약물에 의해 회복되었다. 이와는 반대로, 만성모델에서는 mTORC1 관련 단백질의 발현량이 현저히 감소하며 DAPA 약물에 의해 개선되었다. 다만, p-4EBP1/4EBP1의 경우 만성 NASH 오가노이드 모델에서와는 달리 만성 NASH 동물모델에서는 DAPA 처리에 의한 유의미한 감소가 관찰되지 않았다 (도 27B). Even when quantitative analysis was performed through repeated Western blot experiments, the amounts of fibrosis-related proteins and inflammation-related proteins increased in acute and chronic models and were lowered by DAPA drugs, and in the case of mTORC1-related proteins, the increased expression level in acute models was correlated with DAPA drugs. recovered by Conversely, in the chronic model, the expression level of mTORC1-related protein was significantly reduced and improved by DAPA drug. However, in the case of p-4EBP1/4EBP1, unlike the chronic NASH organoid model, no significant decrease was observed by DAPA treatment in the chronic NASH animal model (FIG. 27B).

이러한 결과를 통해, 인간 조직 유래 급성 및 만성 NASH 오가노이드 모델에서와 마찬가지로 급성 및 만성 NASH 동물모델에서도 신규 발굴된 유효약물인 DAPA의 mTORC1 관련 치료 기전이 대부분 일치하며 DAPA 약물에 의해 과발현 또는 감소된 단백질 발현이 정상 수준으로 회복되는 것을 확인하였다.Through these results, as in human tissue-derived acute and chronic NASH organoid models, in acute and chronic NASH animal models, the treatment mechanism related to mTORC1 of DAPA, a newly discovered effective drug, is mostly consistent, and protein overexpressed or reduced by DAPA drugs It was confirmed that the expression was restored to a normal level.

실험예 6-6. 급성 및 만성 비알콜성 지방간염 동물모델에서의 유효 약물의 효능 비교 및 치료 기전 규명 (2)Experimental Example 6-6. Comparison of efficacy of effective drugs in acute and chronic non-alcoholic steatohepatitis animal models and identification of treatment mechanisms (2)

급성 및 만성 비알콜성 지방간염 동물모델에서 DAPA 약물이 처리된 간 조직에 대해서 앞서 진행한 western blot 분석과 각 마커들에 대한 단백질 발현 양상이 일치하는지 확인하기 위해 간 조직에 대한 면역염색을 진행하였다. 급성 및 만성 비알콜성 지방간염 동물모델은 각각 Fa/R과 CDAHFD 사료로 유발한 모델을 사용하였다.In acute and chronic non-alcoholic steatohepatitis animal models, immunostaining was performed on the liver tissue to confirm that the protein expression pattern for each marker was consistent with the previous western blot analysis of the DAPA-treated liver tissue. . Acute and chronic non-alcoholic steatohepatitis animal models were induced by Fa/R and CDAHFD feed, respectively.

면역염색을 통해 섬유화 관련 α-SMA를 염색했을 때, 정상 간 조직에 비해 Fa/R 및 CDAHFD 모델에서 발현이 증가하고 DAPA 약물에 의해 감소하는 것을 확인하였다. mTORC1 기전 관련 p-S6 단백질에 대한 염색을 통해, 앞서 검증한 바와 동일하게 급성 모델에서는 해당 마커가 증가하며 DAPA에 의해 감소하고, 만성 모델에서는 감소된 발현이 DAPA에 의해 회복되는 것을 확인하였다. 또 다른 mTORC1 기전 관련 p-4EBP1 단백질에 대한 면역염색을 통해 급성 및 만성 NASH 모델 모두에서 발현이 증가하지만 DAPA 약물에 의해 발현이 감소되는 양상을 확인하였다. 이는 앞서 확인한 western blot 분석 결과와 대체로 일치하는 결과이다 (도 28).When fibrosis-related α-SMA was stained through immunostaining, it was confirmed that the expression was increased in Fa/R and CDAHFD models compared to normal liver tissue and decreased by DAPA drug. Through staining for the mTORC1 mechanism-related p-S6 protein, it was confirmed that the corresponding marker increased and decreased by DAPA in the acute model, and the reduced expression was recovered by DAPA in the chronic model, as previously verified. Through immunostaining for another mTORC1 mechanism-related p-4EBP1 protein, it was confirmed that its expression was increased in both acute and chronic NASH models, but its expression was decreased by DAPA drug. This is a result that is generally consistent with the western blot analysis results previously confirmed (FIG. 28).

따라서 인간 조직 유래 급성 및 만성 NASH 오가노이드 모델에서와 마찬가지로 급성 및 만성 NASH 동물모델에서도 신규 발굴된 유효약물인 DAPA의 mTORC1 관련 치료 기전이 대부분 일치하는 것을 면역염색 분석을 통해서도 확인하였다.Therefore, it was confirmed through immunostaining analysis that most of the mTORC1-related therapeutic mechanisms of DAPA, a newly discovered effective drug, were identical in acute and chronic NASH animal models, as in human tissue-derived acute and chronic NASH organoid models.

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 its preferred embodiments. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope will be construed as being included in the present invention.

Claims (12)

탈세포 간 조직 유래 세포외 기질 (Liver Extracellular Matrix; LEM)을 포함하는 하이드로젤;
간 오가노이드;
상기 하이드로젤이 위치하는 웰 및 유리 지방산 (free fatty acid)이 흐를 수 있는 복수의 마이크로채널을 포함하는 디바이스; 및
유리 지방산을 포함하는 배양액을 포함하는 비알코올성 지방간 인공 조직 모델.
a hydrogel containing a decellularized liver tissue-derived extracellular matrix (Liver Extracellular Matrix; LEM);
liver organoids;
a device including a well in which the hydrogel is located and a plurality of microchannels through which free fatty acid flows; and
A non-alcoholic fatty liver artificial tissue model containing a culture medium containing free fatty acids.
제1항에 있어서,
상기 탈세포 간 조직 유래 세포외 기질은 간 조직 세포가 95 내지 99.9% 제거된 것인 비알코올성 지방간 인공 조직 모델.
According to claim 1,
The non-alcoholic fatty liver artificial tissue model in which the decellularized liver tissue-derived extracellular matrix is 95 to 99.9% of liver tissue cells removed.
제1항에 있어서,
상기 간 오가노이드는 인간 유도만능줄기세포 (hiPSC) 유래 또는 인간 간 조직 유래인 비알코올성 지방간 인공 조직 모델.
According to claim 1,
The liver organoid is a non-alcoholic fatty liver artificial tissue model derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC) or human liver tissue.
제3항에 있어서,
상기 간 오가노이드가 인간 유도만능줄기세포 (hiPSC) 유래인 경우, 간 오가노이드는 상기 하이드로젤 위에서 배양되는 것인 비알코올성 지방간 인공 조직 모델.
According to claim 3,
When the liver organoids are derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC), the liver organoids are cultured on the hydrogel artificial non-alcoholic fatty liver tissue model.
제3항에 있어서,
상기 간 오가노이드가 인간 조직 유래인 경우, 간 오가노이드는 상기 하이드로젤 내에서 배양되는 것인 비알코올성 지방간 인공 조직 모델.
According to claim 3,
When the liver organoid is derived from human tissue, the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model, wherein the liver organoid is cultured in the hydrogel.
제4항에 있어서,
상기 하이드로젤이 위치하는 웰은 깊이가 2 내지 4 mm인 비알코올성 지방간 인공 조직 모델.
According to claim 4,
The well in which the hydrogel is located is a non-alcoholic fatty liver artificial tissue model having a depth of 2 to 4 mm.
제5항에 있어서,
상기 하이드로젤이 위치하는 웰은 깊이가 0.5 내지 1.5 mm 인 비알코올성 지방간 인공 조직 모델.
According to claim 5,
The well in which the hydrogel is located is a non-alcoholic fatty liver artificial tissue model having a depth of 0.5 to 1.5 mm.
제1항에 있어서,
상기 유리 지방산 (free fatty acid)은 농도가 100 내지 900 μM인 비알코올성 지방간 인공 조직 모델.
According to claim 1,
The free fatty acid (free fatty acid) is a non-alcoholic fatty liver artificial tissue model having a concentration of 100 to 900 μM.
제1항에 있어서,
상기 간 오가노이드는 혈관세포, 중간엽줄기세포, 쿠퍼 세포 (Kupffer cell, KC) 및 간 성상세포 (hepatic stellate cell, HSC) 중 어느 하나 이상과 공배양되는 것인 비알코올성 지방간 인공 조직 모델.
According to claim 1,
The liver organoid is a non-alcoholic fatty liver artificial tissue model co-cultured with any one or more of vascular cells, mesenchymal stem cells, Kupffer cells (KC) and hepatic stellate cells (HSC).
제1항의 비알코올성 지방간 인공 조직 모델을 제작하는 단계; 및
상기 비알코올성 지방간 인공 조직 모델에 유리 지방산을 포함하는 배양액을 관류시키는 단계를 포함하는 비알코올성 지방간 인공 조직 모델의 제작방법.
Producing the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model of claim 1; and
A method for producing a non-alcoholic fatty liver artificial tissue model comprising the step of perfusing a culture solution containing free fatty acids into the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model.
제10항에 있어서,
상기 관류시키는 단계는 교반기 상에 상기 비알코올성 지방간 인공 조직 모델을 교반시켜 이루어지는 것인 비알코올성 지방간 인공 조직 모델의 제작방법.
According to claim 10,
The perfusion step is a method of manufacturing a non-alcoholic fatty liver artificial tissue model made by stirring the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model on a stirrer.
제1항의 비알코올성 지방간 인공 조직 모델에 후보물질을 처리하는 단계; 및
상기 후보물질이 처리된 군과 대조군을 비교하는 단계를 포함하는 비알코올성 지방간 치료 약물의 스크리닝 방법.
Processing a candidate substance to the non-alcoholic fatty liver artificial tissue model of claim 1; and
A method for screening a non-alcoholic fatty liver treatment drug comprising the step of comparing a group treated with the candidate substance and a control group.
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