KR20230073749A - Febricating method of beating-type cardiac mucle patch and beating-type cardiac mucle patch fabricated by using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 체외에서 박동을 유지하는 박동형 심근 패치의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 박동형 심근 패치에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a pulsatile myocardial patch that maintains pulsation outside the body and a pulsatile myocardial patch manufactured using the same.

Description

박동형 심근 패치의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 박동형 심근 패치{FEBRICATING METHOD OF BEATING-TYPE CARDIAC MUCLE PATCH AND BEATING-TYPE CARDIAC MUCLE PATCH FABRICATED BY USING THE SAME}Manufacturing method of pulsatile myocardial patch and pulsatile myocardial patch manufactured using the same

본 명세서는 박동형 심근 패치 및 이를 이용하여 제조된 박동형 심근 패치의 제조방법에 관한 것이다.The present specification relates to a pulsatile myocardial patch and a manufacturing method of the pulsatile myocardial patch manufactured using the same.

심혈관 질환의 심각성은 우리나라도 생활 및 식습관의 서구화에 따른 심혈관 질환의 유병률 및 사망률은 지속적 증가하는 추세이며, 현재 한국인의 사망원인 중 2위를 차지한다. 미국의 경우도 관상동맥질환자는 1,240만 명, 심근경색이 730만 명, 협심증 640만 명에 이를 만큼 심장 질환은 전 세계적인 의료적 이슈로 심각성이 대두되고 있다.As for the severity of cardiovascular disease, the prevalence and mortality of cardiovascular disease are continuously increasing in Korea due to the westernization of lifestyle and eating habits, and it currently ranks second among the causes of death in Koreans. In the case of the United States, heart disease is emerging as a serious medical issue worldwide, with 12.4 million coronary artery disease, 7.3 million myocardial infarction, and 6.4 million angina pectoris.

심근경색 및 울혈성 심부전 치료법의 한계로는 심혈관 질환 가운데 환자 증가 추이가 가장 높은 것으로 알려진 심근경색(acute myocardial infarction, AMI)과 이로 인해 발생하는 울혈성심부전(congestive heart failure, CHF)은 재생이 불가능한 세포로 알려진 심근 세포의 소실로 발생하는 질환으로 약물치료, 혈관성형술 등의 치료법이 다양하게 개발되고 있음에도 불구하고 근본적 치료가 어렵고, 가장 효과적인 치료법으로 알려진 심장 이식의 경우 공여자의 제한으로 현실적이지 않은 실정이다. 심근 재생을 위해 줄기세포를 투여하는 기존의 방법에는 심근에 직접 주사하는 방법, 관상동맥으로 주입하는 방법과 정맥 주사하는 방법 등이 있다. 또한, 최근에는 국소 전달을 더욱 효율적으로 하기 위하여, 생체 적적절한 매트릭스나 생체재료 위에 줄기세포를 입힌 조직공학적 삼차원 지지체를 이용하여 세포를 전달하는 방법이 이용되고 있다. Limitations of treatment for myocardial infarction and congestive heart failure include acute myocardial infarction (AMI), which is known to have the highest patient increase among cardiovascular diseases, and congestive heart failure (CHF) caused by it, which is irreversible. It is a disease caused by the loss of myocardial cells, known as cells. Despite the development of various treatments such as drug treatment and angioplasty, fundamental treatment is difficult, and heart transplantation, known as the most effective treatment, is not realistic due to limitations in donors. am. Existing methods of administering stem cells for myocardial regeneration include direct injection into the myocardium, coronary injection, and intravenous injection. In addition, recently, in order to make local delivery more efficient, a method of delivering cells using a tissue-engineered three-dimensional scaffold coated with stem cells on a biocompatible matrix or biomaterial has been used.

이와 같이, 심장 질환을 치료하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있으며, 효과적인 치료를 위한 수단의 개발이 필요한 실정이다. As such, various methods for treating heart disease are being studied, and there is a need to develop means for effective treatment.

대한민국 공개 특허 제 10-2008-0030026 호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2008-0030026

본 명세서는 심장 질환의 치료 용도로 활용될 수 있는 박동형 심근 패치의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 박동형 심근 패치를 제공하고자 한다. The present specification is intended to provide a method for manufacturing a pulsatile myocardial patch that can be used for treatment of heart disease and a pulsatile myocardial patch manufactured thereby.

본 발명의 일 실시상태는, A) 50 ㎛ 내지 500 ㎛의 피치를 가지는 패턴 구조체가 적어도 일면 상에 구비된 알지네이트 배지를 제조하는 단계; B) EDC(N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride) 및 NHS(N-Hydroxysuccinimide)를 포함하는 제1 개질 용액으로 상기 알지네이트 배지를 1차 처리하는 단계; C) 티라민 하이드로클로라이드(Tyramine Hydrochloride) 및 HEPES(4-(2-Hydroxyethyl)-1-Piperazineethanesulfonic acid)를 포함하는 제2 개질 용액으로 상기 알지네이트 배지를 2차 처리하는 단계; D) 상기 알지네이트 배지의 일면 상에 세포외기질 코팅층을 형성하는 단계; 및 E) 상기 세포외기질 코팅층이 형성된 알지네이트 배지 상에 심근 세포를 파종한 후 배양하여 심근 세포층을 형성하는 단계;를 포함하는, 박동형 심근 패치의 제조방법을 제공한다. An exemplary embodiment of the present invention, A) preparing an alginate medium having a pattern structure having a pitch of 50 μm to 500 μm provided on at least one surface; B) first treating the alginate medium with a first modifying solution containing EDC (N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride) and NHS (N-Hydroxysuccinimide); C) secondary treatment of the alginate medium with a second modified solution containing Tyramine Hydrochloride and HEPES (4-(2-Hydroxyethyl)-1-Piperazineethanesulfonic acid); D) forming an extracellular matrix coating layer on one side of the alginate medium; and E) seeding and culturing cardiomyocytes on the alginate medium on which the extracellular matrix coating layer is formed to form a myocardial cell layer.

본 발명의 다른 실시상태는, 상기 제조방법을 이용하여 제조된 박동형 심근 패치를 제공한다. Another embodiment of the present invention provides a pulsatile myocardial patch manufactured using the above manufacturing method.

본 발명에 따라 제조된 박동형 심근 패치는 체외에서도 박동 상태를 유지하므로, 심장 질환 치료 용도로의 적용 또는 심장 질환 치료 연구를 위하여 활용이 가능할 수 있다. Since the pulsatile myocardial patch manufactured according to the present invention maintains a pulsatile state even outside the body, it may be used for heart disease treatment or for heart disease treatment research.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구 범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 이해될 수 있다.Other objects and advantages of the present invention may be more clearly understood by the following detailed description, claims and drawings.

도 1은 실시예에 따른 박동형 심근 패치의 제조 과정을 간단하게 모식화하여 도시한 것이다.
도 2는 실시예에 따라 제조된 알지네이트 배지의 확대 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예에 따라 제조된 박동형 심근 패치의 현미경 관찰 이미지를 나타낸 것이다.
1 is a schematic diagram illustrating a manufacturing process of a pulsatile myocardial patch according to an embodiment.
Figure 2 shows an enlarged image of an alginate medium prepared according to an embodiment.
3 shows a microscopic image of a pulsatile myocardial patch prepared according to an example.

본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.In this specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only the case where a member is in contact with another member, but also the case where another member exists between the two members.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. In this specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

본 발명자들은 알지네이트 기반의 배지를 단계적으로 개질 처리하고 심근 세포를 배양한 경우에 인체 내에서의 심근 세포와 같이 체외에서 박동을 유지하는 심근 패치를 제조할 수 있음을 확인하고, 하기와 같은 발명을 하기에 이르렀다. 본 발명에 따른 박동형 심근 패치는 기존의 심장 질환 치료용의 스캐폴드와 달리 보다 체내의 심근 세포와 유사한 거동을 하고 있으므로, 이를 활용하여 효과적으로 심장 질환의 치료가 가능할 것으로 기대된다. 또한, 본 발명에 따른 박동형 심근 패치는 체외에서도 박동을 하는 독특한 거동을 가지고 있으므로, 체외에서 심장 질환의 치료를 위한 실험 용도로도 활용이 가능할 것이다. The present inventors have confirmed that when an alginate-based medium is modified step by step and cardiomyocytes are cultured, a myocardial patch that maintains beating in vitro, like myocardial cells in a human body, can be prepared, and the following inventions are provided. came to do Unlike existing scaffolds for treating heart disease, the pulsatile myocardial patch according to the present invention behaves more like myocardial cells in the body, so it is expected that it can be used to effectively treat heart disease. In addition, since the pulsatile myocardial patch according to the present invention has a unique behavior of beating even outside the body, it can be used for experimental purposes for treating heart disease outside the body.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 일 실시상태는, A) 50 ㎛ 내지 500 ㎛의 피치를 가지는 패턴 구조체가 적어도 일면 상에 구비된 알지네이트 배지를 제조하는 단계; B) EDC(N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride) 및 NHS(N-Hydroxysuccinimide)를 포함하는 제1 개질 용액으로 상기 알지네이트 배지를 1차 처리하는 단계; C) 티라민 하이드로클로라이드(Tyramine Hydrochloride) 및 HEPES(4-(2-Hydroxyethyl)-1-Piperazineethanesulfonic acid)를 포함하는 제2 개질 용액으로 상기 알지네이트 배지를 2차 처리하는 단계; D) 상기 알지네이트 배지의 일면 상에 세포외기질 코팅층을 형성하는 단계; 및 E) 상기 세포외기질 코팅층이 형성된 알지네이트 배지 상에 심근 세포를 파종한 후 배양하여 심근 세포층을 형성하는 단계;를 포함하는, 박동형 심근 패치의 제조방법을 제공한다. An exemplary embodiment of the present invention, A) preparing an alginate medium having a pattern structure having a pitch of 50 μm to 500 μm provided on at least one surface; B) first treating the alginate medium with a first modifying solution containing EDC (N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride) and NHS (N-Hydroxysuccinimide); C) secondary treatment of the alginate medium with a second modified solution containing Tyramine Hydrochloride and HEPES (4-(2-Hydroxyethyl)-1-Piperazineethanesulfonic acid); D) forming an extracellular matrix coating layer on one side of the alginate medium; and E) seeding and culturing cardiomyocytes on the alginate medium on which the extracellular matrix coating layer is formed to form a myocardial cell layer.

A) 단계: 알지네이트 배지를 제조하는 단계Step A): Preparing an alginate medium

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 알지네이트 배지는 알지네이트를 기반으로 하는 배지일 수 있다. 또한, 상기 알지네이트 배지는 알지네이트 농축액을 이용하여 제조된 배지일 수 있으며, 상기 알지네이트 배지의 적어도 일면 상에 패턴 구조체가 구비된 패턴 영역을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 알지네이트 농축액은 염화 나트륨 용액 내에서 알지네이트가 약 1 vol%로 용해된 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the alginate medium may be an alginate-based medium. In addition, the alginate medium may be a medium prepared using an alginate concentrate, and may include a pattern region having a pattern structure on at least one surface of the alginate medium. For example, the alginate concentrate may be dissolved in about 1 vol% of alginate in a sodium chloride solution.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 A) 단계는, a1) 3D 프린터를 이용하여, 판상의 제1 층 및 상기 제1 층 상에 복수의 패턴 구조체를 포함하는 제2 층을 포함하는 알지네이트 구조체를 제조하는 단계; 및 a2) 경화제를 이용하여 상기 알지네이트 구조체를 경화하여 상기 알지네이트 배지를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, in step A), a1) using a 3D printer, an alginate structure including a first layer of a plate and a second layer including a plurality of pattern structures on the first layer Preparing a; and a2) preparing the alginate medium by curing the alginate structure using a curing agent.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 a1) 단계는 알지네이트를 포함하는 잉크 조성물 및 3D 프린터를 이용하여, 상기 제1 층 및 상기 제2 층을 형성하는 것일 수 있다. 상기 3D 프린터를 이용하여 토출되는 알지네이트를 포함하는 잉크 조성물은 점도가 낮아 상기 제2 층의 패턴 구조체의 형성이 곤란할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, step a1) may be to form the first layer and the second layer using an ink composition containing alginate and a 3D printer. An ink composition containing alginate that is ejected using the 3D printer may have low viscosity, making it difficult to form the pattern structure of the second layer.

그러므로, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 3D 프린터는 -40 ℃ 내지 -10 ℃의 온도 범위로 조절되는 냉각 트레이를 구비하고, 상기 냉각 트레이 상에서 상기 알지네이트 구조체가 제조될 수 있다. 상기 냉각 트레이에 의하여, 토출된 알지네이트를 포함하는 잉크 조성물은 소정의 형상을 가지는 알지네이트 구조체가 형성될 수 있다. Therefore, according to one embodiment of the present invention, the 3D printer is provided with a cooling tray adjusted to a temperature range of -40 ℃ to -10 ℃, the alginate structure can be produced on the cooling tray. An alginate structure having a predetermined shape may be formed in the ink composition containing the alginate discharged by the cooling tray.

나아가, 상기 a1) 단계에서 형성된 알지네이트 구조체를 경화제를 이용하여 경화시켜 알지네이트 배지를 형성할 수 있다(a2) 단계). 일 예로, 상기 경화제는 염화바륨일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 알지네이트 구조체를 경화시킬 수 있는 다양한 물질을 사용할 수 있다. Furthermore, an alginate medium may be formed by curing the alginate structure formed in step a1) using a curing agent (step a2). For example, the curing agent may be barium chloride, but is not limited thereto, and various materials capable of curing the alginate structure may be used.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 a1) 단계에서의 상기 제2 층의 형성 시, 상기 3D 프린터기의 알지네이트 용액의 토출 속도는 0.01 ㎜/s 내지 0.2 ㎜/s이고, 프린팅 속도는 2 ㎜/s 내지 10 ㎜/s일 수 있다. 상기와 같은 토출 속도 및 프린팅 속도 범위 내인 경우, 상기 제2 층의 패턴 구조체는 안정적으로 소정의 패턴 간격(피치), 패턴 선폭 및/또는 패턴 높이를 유지하며 형성될 수 있다. 나아가, 이와 같이 형성된 패턴 구조체는 상기 알지네이트 배지 상에서 50 ㎛ 내지 500 ㎛, 100 ㎛ 내지 400 ㎛, 250 ㎛ 내지 350 ㎛, 또는 약 300 ㎛의 피치를 가질 수 있으며, 상기 범위 내의 피치를 가지는 경우 배양된 심근 세포층이 체외에서도 박동을 유지할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, when forming the second layer in step a1), the ejection speed of the alginate solution of the 3D printer is 0.01 mm / s to 0.2 mm / s, and the printing speed is 2 mm / s to 10 mm/s. When the ejection speed and the printing speed are within the above ranges, the pattern structure of the second layer may be formed while stably maintaining a predetermined pattern spacing (pitch), pattern line width, and/or pattern height. Furthermore, the pattern structure thus formed may have a pitch of 50 μm to 500 μm, 100 μm to 400 μm, 250 μm to 350 μm, or about 300 μm on the alginate medium, and when it has a pitch within the above range, the cultured Myocardial cell layer can maintain beating even outside the body.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 알지네이트 배지의 패턴 구조체의 폭은 50 ㎛ 내지 500 ㎛, 100 ㎛ 내지 400 ㎛, 250 ㎛ 내지 350 ㎛, 또는 약 300 ㎛일 수 있다. 상기 패턴 구조체의 폭은 상기 알지네이트 배지의 상면도 상에서의 패턴 구조체의 폭을 의미할 수 있으며, 상기 패턴 구조체의 폭 범위는 상기 패턴 구조체의 피치 범위와 동일 또는 유사할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the width of the pattern structure of the alginate medium may be 50 μm to 500 μm, 100 μm to 400 μm, 250 μm to 350 μm, or about 300 μm. The width of the pattern structure may mean the width of the pattern structure on a top view of the alginate medium, and the width range of the pattern structure may be the same as or similar to the pitch range of the pattern structure.

또한, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 알지네이트 배지의 패턴 구조체의 높이는 50 ㎛ 내지 250 ㎛, 100 ㎛ 내지 200㎛, 또는 100 ㎛ 내지 150 ㎛일 수 있다. 상기 패턴 구조체의 높이가 상기 범위 내인 경우, 파종된 심근 세포에 의한 심근 세포층이 연속적으로 형성될 수 있다. Further, according to an exemplary embodiment of the present invention, the height of the pattern structure of the alginate medium may be 50 μm to 250 μm, 100 μm to 200 μm, or 100 μm to 150 μm. When the height of the pattern structure is within the above range, a myocardial cell layer by seeded myocardial cells may be continuously formed.

상기 개시된 범위를 가지는 패턴 구조체를 구비한 알지네이트 배지를 이용하여 심근 패치를 제조하는 경우, 체외에서의 박동이 최대화될 수 있다. When a myocardial patch is prepared using an alginate medium having a pattern structure having the above-described range, beating outside the body can be maximized.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴 구조체는 다양한 형태의 패턴을 형성할 수 있으며, 예를 들어 상기 알지네이트 배지 상에서 선형 패턴 또는 메쉬 패턴을 형성할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the pattern structure may form various types of patterns, for example, a linear pattern or a mesh pattern may be formed on the alginate medium.

B) 단계: 제1 개질 용액으로 상기 알지네이트 배지를 1차 처리하는 단계Step B): first treating the alginate medium with a first modified solution

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 B) 단계는 상기 알지네이트 배지를 EDC(N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride) 및 NHS(N-Hydroxysuccinimide)를 포함하는 제1 개질 용액으로 처리하여, 상기 알지네이트 배지의 카르복실기를 1차 아민기로 개질하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 B) 단계는 EDC-NHS 활성화 과정을 통하여 상기 알지네이트 배지의 알지네이트 분자에 결합된 카르복실기를 EDC 커플링 반응으로 활성화시켜 아민기를 포함하는 NHS와 결합되도록 하는 것일 수 있다. 이를 통하여, 상기 1차 처리된 알지네이트 배지는 후술되는 2차 처리를 통하여 설포-NHS 에스테르(Sulfo-NHS ester)로 변환될 수 있다. 즉, 상기 1차 처리 없이 2차 처리를 수행하는 경우, 2차 처리에 따른 단백질 흡착 활성화 효과가 충분히 발현되지 않는 문제가 발생할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, in step B), the alginate medium is treated with a first modified solution containing EDC (N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride) and NHS (N-Hydroxysuccinimide). Thus, the carboxyl group of the alginate medium may be modified with a primary amine group. Specifically, the step B) may be to activate the carboxyl group bound to the alginate molecule of the alginate medium through an EDC coupling reaction through an EDC-NHS activation process so that it binds to NHS containing an amine group. Through this, the primary treated alginate medium can be converted into a sulfo-NHS ester through a secondary treatment described below. That is, when the secondary treatment is performed without the primary treatment, a problem in that the protein adsorption activation effect according to the secondary treatment is not sufficiently expressed may occur.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 개질 용액에서, 상기 NHS와 상기 EDC의 중량비는 5:1 내지 10:1일 수 있다. 구체적으로, 상기 NHS와 상기 EDC의 중량비는 6:1 내지 8:1, 또는 6:1 내지 7:1일 수 있다. 또한, 상기 제1 개질 용액에서, 상기 EDC의 농도는 10 mM 내지 100 mM이고, 상기 NHS의 농도는 100 mM 내지 500 mM일 수 있다. 상기 중량비 범위 이내 및/또는 상기 농도 범위 이내에서, 상기 알지네이트 배지의 카르복실기는 효과적으로 1차 아민기로 전환될 수 있다. 구체적으로, 상기 중량비 범위 이내 및/또는 상기 농도 범위 이내로 처리하는 경우, 제2 개질 용액으로 상기 알지네이트 배지를 2차 처리하는 단계에서의 티라민의 부착이 원활하게 이루어질 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, in the first modified solution, the weight ratio of the NHS to the EDC may be 5:1 to 10:1. Specifically, the weight ratio of the NHS to the EDC may be 6:1 to 8:1, or 6:1 to 7:1. In addition, in the first modified solution, the concentration of the EDC may be 10 mM to 100 mM, and the concentration of the NHS may be 100 mM to 500 mM. Within the above weight ratio range and/or within the above concentration range, the carboxyl groups of the alginate medium can be effectively converted into primary amine groups. Specifically, when treated within the above weight ratio range and/or within the above concentration range, tyramine may be smoothly attached in the second treatment of the alginate medium with the second modified solution.

C) 단계: 제2 개질 용액으로 상기 알지네이트 배지를 2차 처리하는 단계Step C): Secondary treatment of the alginate medium with a second modified solution

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 C) 단계는 티라민 하이드로클로라이드(Tyramine Hydrochloride) 및 HEPES(4-(2-Hydroxyethyl)-1-Piperazineethanesulfonic acid)를 포함하는 제2 개질 용액으로 상기 알지네이트 배지를 처리하여, 상기 1차 처리를 통하여 개질된 알지네이트 배지의 아민기와 티라민 하이드로클로라이드의 티라민이 서로 공유결합하도록 하는 아마이드화 시키는 것일 수 있다. 상기 알지네이트 배지에 결합된 티라민은 단백질의 구성 성분 중 하나인 티로신(tyrosine)과 결합을 향상시켜, 상기 알지네이트 배지 표면에 결합되는 단백질의 함량을 증가시킬 수 있습니다. 상기 알지네이트 배지 표면에 결합된 단백질의 ?량이 증가함에 따라, 상기 알지네이트 배지 표면에서 세포 접착이 수월하게 될 수 있다. 즉, 상기 1차 처리와 2차 처리를 순차적으로 수행하는 경우, 상기 알지네이트 배지는 단백질 흡착이 효과적으로 되어, 심근 세포 및 세포외기질 등의 단백질 기반 물질의 접착 및 배양이 원활하게 이루어질 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, in step C), the alginate medium is treated with a second modified solution containing tyramine hydrochloride and HEPES (4-(2-Hydroxyethyl)-1-Piperazineethanesulfonic acid). Thus, the amine group of the alginate medium modified through the first treatment and the tyramine of the tyramine hydrochloride may be amidated so that they covalently bond with each other. Tyramine bound to the alginate medium can improve the binding with tyrosine, one of the components of protein, and increase the content of the protein bound to the surface of the alginate medium. As the amount of protein bound to the surface of the alginate medium increases, cell adhesion may be facilitated on the surface of the alginate medium. That is, when the first treatment and the second treatment are sequentially performed, the alginate medium effectively adsorbs proteins, so that protein-based materials such as myocardial cells and extracellular matrix can be adhered and cultured smoothly.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 개질 용액에서, 상기 티라민 하이드로클로라이드와 상기 HEPES의 몰비는 1:2 내지 2:1일 수 있다. 구체적으로, 상기 티라민 하이드로클로라이드와 상기 HEPES의 몰비는 1.5:1 내지 1:1.5, 또는 1:1일 수 있다. 나아가, 상기 제2 개질 용액에서, 상기 티라민 하이드로클로라이드의 농도는 0.01 g/㎖ 내지 0.5 g/㎖이고, 상기 HEPES의 농도는 0.05 M 내지 0.25 M일 수 있다. 상기 범위 내의 상기 티라민 하이드로클로라이드와 상기 HEPES의 몰비 및/또는 티라민 하이드로클로라이드 및 HEPES 농도에서 상기 알지네이트 배지는 효과적으로 단백질 부착 활성화가 이루어질 수 있다. 즉, 상기 몰비 범위 이내 및/또는 농도 범위 이내에서 세포외기질 물질의 부착력 높아져 세포외기질 코팅층의 형성 후 이의 탈락 현상을 방지할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, in the second modified solution, the molar ratio of the tyramine hydrochloride and the HEPES may be 1:2 to 2:1. Specifically, the molar ratio of the tyramine hydrochloride and the HEPES may be 1.5:1 to 1:1.5, or 1:1. Furthermore, in the second modified solution, the concentration of tyramine hydrochloride may be 0.01 g/ml to 0.5 g/ml, and the concentration of HEPES may be 0.05 M to 0.25 M. At the molar ratio of the tyramine hydrochloride and the HEPES and/or the concentration of the tyramine hydrochloride and the HEPES within the above range, the alginate medium can effectively activate protein adhesion. That is, the adhesiveness of the extracellular matrix material increases within the above molar ratio range and/or concentration range, so that the extracellular matrix coating layer can be prevented from falling off after formation.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 개질 용액은 pH 조절제를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 pH 조절제는 상기 제2 개질 용액의 pH를 7.0 내지 7.5, 구체적으로 7.2 내지 7.4의 중성 수준을 유지하도록 하여, 메트리젤과 같은 세포외기질 물질이 상기 알지네이트 배지 상에 부착을 용이하게 할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the second modified solution may further include a pH adjusting agent. Specifically, the pH adjusting agent maintains the pH of the second modified solution at a neutral level of 7.0 to 7.5, specifically 7.2 to 7.4, so that the extracellular matrix material such as Matrigel facilitates attachment on the alginate medium can do.

D) 단계: 상기 알지네이트 배지의 일면 상에 세포외기질 코팅층을 형성하는 단계Step D): Forming an extracellular matrix coating layer on one side of the alginate medium

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 D) 단계는 1차 및 2차 처리가 수행된 알지네이트 배지의 적어도 상기 패턴 구조체가 형성된 알지네이트 배지의 일면 상에 세포외기질 코팅층을 형성하는 것일 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, step D) may be to form an extracellular matrix coating layer on at least one side of the alginate medium on which the pattern structure is formed in the alginate medium subjected to the first and second treatments.

상기 세포외기질 코팅층은 당업계에서 일반적으로 입수할 수 있는 세포외기질을 이용하여 형성될 수 있으며, 예를 들어 세포외기질 용액을 상기 알지네이트 배지 상에 도포하거나, 상기 알지네이트 배지를 세포외기질 용액에 함침하는 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 세포외기질은 Matrigel®을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 종류의 세포외기질이 이용될 수 있다. The extracellular matrix coating layer may be formed using an extracellular matrix generally available in the art. For example, an extracellular matrix solution is applied on the alginate medium, or the alginate medium is applied to the extracellular matrix solution. It can be formed by impregnating. For example, the extracellular matrix may use Matrigel®, but is not limited thereto, and various types of extracellular matrix may be used.

상기 세포외기질층은 이의 표면 상에 파종되는 심근 세포로부터 유래된 심근 세포층과 상기 알지네이트 배지 간의 부착력 및 물질 이동을 향상시키는 역할을 할 수 있다. The extracellular matrix layer may serve to improve adhesion and mass transfer between the myocardial cell layer derived from myocardial cells seeded on its surface and the alginate medium.

E) 단계: 심근 세포층을 형성하는 단계Step E): Forming the myocardial cell layer

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 D) 단계는 심근 세포를 상기 세포외기질 코팅층 상에 파종하여 심근 세포층을 형성하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 패턴 구조체가 구비된 알지네이트 배지의 일면 상의 세포외기질 코팅층 상에 심근 세포가 파종될 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 심근 세포는 상기 알지네이트 배지의 패턴 구조체들 사이에 파종될 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, step D) may include seeding myocardial cells on the extracellular matrix coating layer to form a myocardial cell layer. Specifically, cardiomyocytes may be seeded on the extracellular matrix coating layer on one surface of the alginate medium having the pattern structures, and more specifically, the cardiomyocytes may be seeded between the pattern structures of the alginate medium.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 심근 세포는 유도만능줄기세포(iPSC, induced Pluripotent Stem Cell)로부터 유래된 것일 수 있다. iPSC로부터 심근 세포로의 유도 방법은 기 공지된 다양한 방법을 이용하여 수행될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the cardiomyocytes may be derived from induced pluripotent stem cells (iPSCs). The method of inducing cardiomyocytes from iPSCs may be performed using a variety of known methods.

상기 파종된 심근 세포는 배양 과정을 통하여 세포외기질을 분비하여 심근 세포층을 형성할 수 있다. 이와 같이 형성된 심근 세포층은 상기 알지네이트 배지 상에서 박동을 하며 존재할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 박동형 심근 패치는 50 회/분 내지 100 회/분의 박동을 하는 것일 수 있다. The seeded myocardial cells may secrete an extracellular matrix through a culture process to form a myocardial cell layer. The myocardial cell layer thus formed may exist while beating on the alginate medium. Specifically, according to an exemplary embodiment of the present invention, the pulsatile myocardial patch may beat 50 times/minute to 100 times/minute.

본 발명의 일 실시상태는, 상기 제조방법을 이용하여 제조된 박동형 심근 패치를 제공한다. 심장 질환을 치료하기 위한 종래의 심근 세포를 이용한 물질들과는 다르게, 상기 박동형 심근 패치는 체외에서도 박동을 유지하는 특성을 가지고 있으므로, 이를 이용하는 경우 효과적으로 심장 질환의 치료를 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 본 발명에 따른 박동형 심근 패치를 환자 맞춤형으로 제조한 후, 국소 부위의 심장 조직을 대체 또는 보완하여 심장 질환의 치료에 이용될 수 있을 것이다. 나아가, 본 발명에 따른 박동형 심근 패치는 심장 치료를 위한 연구 용도로 사용하여 심장 질환을 치료하는 방법의 개발에 도움이 될 수 있을 것이다. An exemplary embodiment of the present invention provides a pulsatile myocardial patch manufactured using the above manufacturing method. Unlike conventional materials using cardiomyocytes for treating heart disease, the pulsatile myocardial patch maintains its heartbeat even outside the body, and thus is expected to effectively treat heart disease. In addition, after the pulsatile myocardial patch according to the present invention is manufactured according to the patient's needs, it can be used for the treatment of heart disease by replacing or supplementing the heart tissue in a local area. Furthermore, the pulsatile myocardial patch according to the present invention may be used for research purposes for heart treatment and help in the development of methods for treating heart disease.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be described in detail to explain the present invention in detail. However, embodiments according to the present invention can be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments herein are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

[실시예][Example]

도 1은 실시예에 따른 박동형 심근 패치의 제조 과정을 간단하게 모식화하여 도시한 것이다. 구체적으로, 도 1은 하기의 알지네이트 배지의 제조, 알지네이트 배지의 개질 및 세포외기질 코팅층의 형성 및 심근 세포의 파종 과정을 도시한 것이며, 심근 세포의 파종 이후 심근 세포층이 형성되는 것은 미도시하였다. 1 is a schematic diagram illustrating a manufacturing process of a pulsatile myocardial patch according to an embodiment. Specifically, FIG. 1 illustrates the following processes of preparation of an alginate medium, modification of the alginate medium, formation of an extracellular matrix coating layer, and seeding of cardiomyocytes, and formation of a myocardial cell layer after seeding of cardiomyocytes is not shown.

(1) 알지네이트 배지의 제조(1) Preparation of alginate medium

4 ℃에 보관된 1 % Alginate(LT12/LN18, Alginatec GmbH, Riedenheim, Germany)를 RT(room temperature)에서 1시간 동안 보관한 후, 이를 약 -20 ℃를 유지하는 냉각 트레이가 구비된 3D 프린터(INVIVO, ROKIT Healthcare)의 실린지 모듈에 옮겼다. 상기 3D 프린터의 노즐 사이즈는 23 gauge였으며, 상기 3D 프린터의 실린지 토출 속도를 0.05 ㎜/s로 세팅하고, 프린팅 속도(베드판의 이동 속도)를 5 ㎜/s로 설정하여, 상기 냉각 트레이 상에서 알지네이트 구조체를 형성하였다. 그리고 나서, 피펫을 이용하여 염화 바륨 용액을 상기 알지네이트 구조체 상에 도포하고 약 30분 동안 RT에서 경화시킨 후에 염화 나트륨 용액으로 잔류 염화 바륨을 제거하였다. 이와 같은 과정을 통하여 제조된 알지네이트 배지의 직경은 약 15 ㎜이었고, 패턴 간격은 약 300 ㎛이었다. After storing 1% alginate (LT12/LN18, Alginatec GmbH, Riedenheim, Germany) stored at 4 ° C. for 1 hour at room temperature (RT), a 3D printer equipped with a cooling tray maintaining about -20 ° C. INVIVO, ROKIT Healthcare) was transferred to the syringe module. The nozzle size of the 3D printer was 23 gauge, the syringe ejection speed of the 3D printer was set to 0.05 mm/s, and the printing speed (moving speed of the bed plate) was set to 5 mm/s on the cooling tray. An alginate structure was formed. Then, a barium chloride solution was applied on the alginate structure using a pipette and cured at RT for about 30 minutes, after which residual barium chloride was removed with a sodium chloride solution. The diameter of the alginate medium prepared through this process was about 15 mm, and the pattern spacing was about 300 μm.

도 2는 실시예에 따라 제조된 알지네이트 배지의 확대 이미지를 나타낸 것이다. 도 2에서의 진한 라인은 패턴 구조체가 형성된 경계를 의미하며, 패턴 구조체 간의 간격은 약 300 ㎛이고, 패턴 구조체의 폭도 약 300 ㎛로 패턴 구조체가 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있다.Figure 2 shows an enlarged image of an alginate medium prepared according to an embodiment. The dark line in FIG. 2 means a boundary where the pattern structures are formed, and it can be confirmed that the pattern structures are uniformly formed with the interval between the pattern structures being about 300 μm and the width of the pattern structures being about 300 μm.

(2) 알지네이트 배지의 개질 및 세포외기질 코팅층의 형성(2) Modification of alginate medium and formation of extracellular matrix coating layer

1.9 g의 NHS(50 mM, Sigma Aldrich) 및 0.28 g의 EDC(200 mM, Sigma Aldrich)를 50 ㎖의 증류수에 넣어 용해시킨 후, 음압 필터링한 용액에 상기 제조된 알지네이트 배지를 약 30분 동안 RT에서 함침시켜 1차 개질을 하였다. 나아가, Tyramine hydrochloride 및 HEPES가 약 1:1의 몰비로 증류수에 용해된 용액에 상기 1차 개질된 알지네이트 배지를 약 하루 동안 RT에서 함침시켜 2차 개질을 하였다. 그리고 나서, 염화 나트륨 용액으로 잔여물을 제거한 후, 1차 및 2차 개질된 알지네이트 배지를 5 mg의 Matrigel(corning, Basement Membrane Matrix High Concentration) 이 60 ml의 DMEM/F-12(HEPES, Gibco)에 혼합된 용액에 약 1시간 동안 RT에서 함침시켜 세포외기질 코팅층이 형성되도록 하였다. After dissolving 1.9 g of NHS (50 mM, Sigma Aldrich) and 0.28 g of EDC (200 mM, Sigma Aldrich) in 50 ml of distilled water, the prepared alginate medium was placed in a negative pressure filtered solution at RT for about 30 minutes. Impregnated in , the first modification was performed. Furthermore, secondary modification was performed by impregnating the primary modified alginate medium with a solution in which Tyramine hydrochloride and HEPES were dissolved in distilled water at a molar ratio of about 1:1 for about one day at RT. Then, after removing the residue with sodium chloride solution, the primary and secondary modified alginate medium was mixed with 5 mg of Matrigel (corning, Basement Membrane Matrix High Concentration) in 60 ml of DMEM/F-12 (HEPES, Gibco) The mixed solution was impregnated at RT for about 1 hour to form an extracellular matrix coating layer.

(3) 심근 세포층의 형성(3) Formation of myocardial cell layer

상기 세포외기질 코팅층 상의 패턴 구조체 사이의 공간에 iPSC로부터 유래된 심근 세포(1 × 106 개)를 파종하고, 약 95 RH%의 습도, 약 37 ℃, 약 5 %의 CO2 분위기의 인큐베이터 내에서 배양하여 심근 세포층이 형성되도록 하여, 박동형 심근 패치를 제조하였다. In the space between the pattern structures on the extracellular matrix coating layer, iPSC-derived cardiomyocytes (1 × 10 6 cells) were seeded, and in an incubator with a humidity of about 95 RH%, about 37 ° C, and about 5% CO 2 atmosphere. by culturing in a myocardial cell layer to form a pulsatile myocardial patch.

도 3은 실시예에 따라 제조된 박동형 심근 패치의 현미경 관찰 이미지를 나타낸 것이다. 상기와 같이 제조된 박동형 심근 세포는 50 회/분 내지 약 100회/분의 박동을 유지하며 존재하였다. 3 shows a microscopic image of a pulsatile myocardial patch prepared according to an example. The pulsatile cardiomyocytes prepared as described above existed while maintaining beats of 50 times/min to about 100 times/min.

Claims (12)

A) 50 ㎛ 내지 500 ㎛의 피치를 가지는 패턴 구조체가 적어도 일면 상에 구비된 알지네이트 배지를 제조하는 단계;
B) EDC(N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride) 및 NHS(N-Hydroxysuccinimide)를 포함하는 제1 개질 용액으로 상기 알지네이트 배지를 1차 처리하는 단계;
C) 티라민 하이드로클로라이드(Tyramine Hydrochloride) 및 HEPES(4-(2-Hydroxyethyl)-1-Piperazineethanesulfonic acid)를 포함하는 제2 개질 용액으로 상기 알지네이트 배지를 2차 처리하는 단계;
D) 상기 알지네이트 배지의 일면 상에 세포외기질 코팅층을 형성하는 단계; 및
E) 상기 세포외기질 코팅층이 형성된 알지네이트 배지 상에 심근 세포를 파종한 후 배양하여 심근 세포층을 형성하는 단계;를 포함하는,
박동형 심근 패치의 제조방법.
A) preparing an alginate medium provided on at least one surface with a pattern structure having a pitch of 50 μm to 500 μm;
B) first treating the alginate medium with a first modifying solution containing EDC (N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride) and NHS (N-Hydroxysuccinimide);
C) secondary treatment of the alginate medium with a second modified solution containing Tyramine Hydrochloride and HEPES (4-(2-Hydroxyethyl)-1-Piperazineethanesulfonic acid);
D) forming an extracellular matrix coating layer on one side of the alginate medium; and
E) seeding and then culturing cardiomyocytes on the alginate medium on which the extracellular matrix coating layer is formed to form a myocardial cell layer;
Manufacturing method of pulsatile myocardial patch.
청구항 1에 있어서, 상기 A) 단계는,
a1) 3D 프린터를 이용하여, 판상의 제1 층 및 상기 제1 층 상에 복수의 패턴 구조체를 포함하는 제2 층을 포함하는 알지네이트 구조체를 제조하는 단계; 및
a2) 경화제를 이용하여 상기 알지네이트 구조체를 경화하여 상기 알지네이트 배지를 제조하는 단계를 포함하는 것인, 박동형 심근 패치의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the step A),
a1) using a 3D printer, manufacturing an alginate structure including a plate-shaped first layer and a second layer including a plurality of pattern structures on the first layer; and
a2) preparing the alginate medium by curing the alginate structure using a curing agent.
청구항 2에 있어서,
상기 3D 프린터는 -40 ℃ 내지 -10 ℃의 온도 범위로 조절되는 냉각 트레이를 구비하고, 상기 냉각 트레이 상에서 상기 알지네이트 구조체가 제조되는 것인, 박동형 심근 패치의 제조방법.
The method of claim 2,
The method of manufacturing a pulsatile myocardial patch, wherein the 3D printer has a cooling tray controlled in a temperature range of -40 ° C to -10 ° C, and the alginate structure is manufactured on the cooling tray.
청구항 2에 있어서,
상기 a1) 단계에서의 상기 제2 층의 형성 시, 상기 3D 프린터기의 알지네이트 용액의 토출 속도는 0.01 ㎜/s 내지 0.2 ㎜/s이고, 프린팅 속도는 2 ㎜/s 내지 10 ㎜/s인 것인, 박동형 심근 패치의 제조방법.
The method of claim 2,
When forming the second layer in step a1), the discharge speed of the alginate solution of the 3D printer is 0.01 mm / s to 0.2 mm / s, and the printing speed is 2 mm / s to 10 mm / s , Manufacturing method of pulsatile myocardial patch.
청구항 1에 있어서,
상기 알지네이트 배지의 패턴 구조체의 폭은 50 ㎛ 내지 500 ㎛ 인 것인, 박동형 심근 패치의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a pulsatile myocardial patch, wherein the pattern structure of the alginate medium has a width of 50 μm to 500 μm.
청구항 1에 있어서,
상기 알지네이트 배지의 패턴 구조체의 높이는 50 ㎛ 내지 250 ㎛ 인 것인, 박동형 심근 패치의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a pulsatile myocardial patch, wherein the height of the pattern structure of the alginate medium is 50 μm to 250 μm.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 개질 용액에서, 상기 NHS와 상기 EDC의 중량비는 5:1 내지 10:1인 것인, 박동형 심근 패치의 제조방법.
The method of claim 1,
In the first modified solution, the weight ratio of the NHS to the EDC is 5: 1 to 10: 1, the manufacturing method of the pulsatile myocardial patch.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 개질 용액에서, 상기 티라민 하이드로클로라이드와 상기 HEPES의 몰비는 1:2 내지 2:1인 것인, 박동형 심근 패치의 제조방법.
The method of claim 1,
In the second modified solution, the molar ratio of the tyramine hydrochloride and the HEPES is 1:2 to 2:1, the manufacturing method of the pulsatile myocardial patch.
청구항 1에 있어서,
상기 심근 세포는 유도만능줄기세포(iPSC, induced Pluripotent Stem Cell)로부터 유래된 것인, 박동형 심근 패치의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a pulsatile myocardial patch, wherein the cardiomyocytes are derived from induced pluripotent stem cells (iPSCs).
청구항 1에 있어서,
상기 E) 단계에서의 상기 심근 세포는 상기 알지네이트 배지의 패턴 구조체들 사이에 파종되는 것인, 박동형 심근 패치의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a pulsatile myocardial patch, wherein the cardiomyocytes in step E) are seeded between the patterned structures of the alginate medium.
청구항 1에 있어서,
상기 박동형 심근 패치는 50 회/분 내지 100 회/분의 박동을 하는 것인, 박동형 심근 패치의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a pulsatile myocardial patch, wherein the pulsatile myocardial patch beats at 50 times/min to 100 times/min.
청구항 1에 따른 제조방법을 이용하여 제조된 박동형 심근 패치. A pulsatile myocardial patch manufactured using the manufacturing method according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080030026A (en) 2005-06-22 2008-04-03 제론 코포레이션 Differentiation of primate pluripotent stem cells to cardiomyocyte-lineage cells

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KR20080030026A (en) 2005-06-22 2008-04-03 제론 코포레이션 Differentiation of primate pluripotent stem cells to cardiomyocyte-lineage cells

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