KR20240041297A - Pharmaceutical composition for intra-arterial administration comprising an adult stem cell transfected with neurogenic transcription factor gene with basic helix-loop-helix motif - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염기성 나선-고리-나선(basic helix-loop-helix; bHLH) 계열의 신경형성 전사인자 유전자가 도입된 성체 줄기세포주를 포함하고 만니톨이 투여된 뒤 동맥 투여(Intra-arterial)는 것을 특징으로 하는 신경계 질환 예방 또는 치료용 약학적 조성물에 관한 것으로, 상기 약학적 조성물을 투여함에 따라 뇌졸중 후 수반되는 세포사멸에 의한 만성적인 신체장애를 극복할 수 있으므로 뇌졸중을 비롯하여 파킨슨병, 알츠하이머병, 척수손상 등의 신경계 질환에 적용 가능한 새로운 치료제로 개발되어 임상 및 각종 연구를 위해 폭넓게 이용될 수 있다.The present invention includes an adult stem cell line into which a basic helix-loop-helix (bHLH) series neurogenesis transcription factor gene has been introduced, and is administered intra-arterially after mannitol is administered. It relates to a pharmaceutical composition for preventing or treating neurological diseases, and administration of the pharmaceutical composition can overcome chronic physical disorders caused by cell death accompanying stroke, including stroke, Parkinson's disease, Alzheimer's disease, and spinal cord disease. It has been developed as a new treatment applicable to neurological diseases such as injuries and can be widely used for clinical and various research purposes.

Description

염기성 나선-고리-나선(basic helix-loop-helix, bHLH) 계열의 신경형성 전사인자 유전자가 도입된 성체 줄기세포주를 포함하는 동맥 투여용 약학적 조성물{Pharmaceutical composition for intra-arterial administration comprising an adult stem cell transfected with neurogenic transcription factor gene with basic helix-loop-helix motif}Pharmaceutical composition for intra-arterial administration comprising an adult stem cell line into which a basic helix-loop-helix (bHLH) family neurogenic transcription factor gene has been introduced cell transfected with neurogenic transcription factor gene with basic helix-loop-helix motif}

본 발명은 염기성 나선-고리-나선(basic helix-loop-helix; bHLH) 계열의 신경형성 전사인자 유전자가 도입된 성체 줄기세포주를 포함하는 약학적 조성물에 관한 것으로, 구체적으로는 염기성 나선-고리-나선(basic helix-loop-helix; bHLH) 계열의 신경형성 전사인자 유전자가 도입된 성체 줄기세포주를 포함하고, 만니톨을 투여한 뒤 동맥 투여(intra-arterial administration)하는 것을 특징으로 하는 신경계 질환 예방 또는 치료용 약학적 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a pharmaceutical composition comprising an adult stem cell line into which a basic helix-loop-helix (bHLH) family neurogenic transcription factor gene has been introduced, specifically, basic helix-loop-helix (bHLH) series neurogenic transcription factor genes have been introduced into the pharmaceutical composition. Preventing neurological diseases, including an adult stem cell line into which a basic helix-loop-helix (bHLH) family neurogenic transcription factor gene has been introduced, and administering mannitol followed by intra-arterial administration, or It relates to a pharmaceutical composition for treatment.

중간엽 줄기세포는 일반적으로 골수(bone marrow)에서 조혈작용을 돕는 지지세포(stroma)로서 미분화상태를 유지하면서 뼈, 연골, 지방, 및 근육세포를 포함한 여러 가지 중배엽성 세포(mesodermal lineage cell)로 분화하는 특성을 가지기 때문에 인공조직을 개발하기 위한 재료로 매우 유용하다.Mesenchymal stem cells are generally support cells (stroma) that assist hematopoiesis in the bone marrow, and while maintaining an undifferentiated state, they grow into various mesodermal lineage cells, including bone, cartilage, fat, and muscle cells. Because it has differentiation properties, it is very useful as a material for developing artificial tissues.

중간엽 줄기세포가 뇌에서 신경교세포로 분화하는 잠재력을 지닌다고 보고되면서(Azizi et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, 4080-4085(1998); Kopen et.al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 10711-10716(1999)) 중간엽 줄기세포를 이용하여 중추신경계의 질병을 치료할 수 있다는 가능성이 제기된 바 있다(Li et al., Neurosci. Lett., 315, 67-70 (2001); 및 Chen., et al., Stroke 32, 1005-1011(2001)).As it was reported that mesenchymal stem cells have the potential to differentiate into glial cells in the brain (Azizi et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, 4080-4085 (1998); Kopen et.al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 10711-10716 (1999)) The possibility of treating diseases of the central nervous system using mesenchymal stem cells has been raised (Li et al., Neurosci. Lett., 315 , 67-70 (2001); and Chen., et al., Stroke 32, 1005-1011 (2001)).

이러한 미분화 세포들을 이용하여 인공 신경세포를 만들기 위한 분화방법으로는 성장인자 또는 호르몬을 사용하는 방법이 알려져 있으나, 이는 신경세포 이외의 다른 세포들이 추가로 생겨난다는 문제점이 있으며(Sanchez-Ramos et al., Exp. Neurol., 164, 247-256 (2000); Woodbury et al., J. Neurosci. Res., 61, 364-370(2000); Deng et al., Biochem. Biophys. Res. Comm., 282, 148-152 (2001)), 이러한 현상은 특히 동물모델에 뇌 이식시 두드러진다고 보고된 바 있다(Azizi., et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, 4080-4085 (1998); 및 Kopen., et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 10711-10716 (1999)). 따라서, 중간엽 줄기 세포가 신경세포로 분화되도록 유도하는 직접적인 방법의 개발이 계속 요구되고 있는 실정이다.A method of using growth factors or hormones is known as a differentiation method to create artificial nerve cells using these undifferentiated cells, but this method has the problem of generating additional cells other than nerve cells (Sanchez-Ramos et al. , Exp. Neurol., 164, 247-256 (2000); Woodbury et al., J. Neurosci. Res., 61, 364-370 (2000); Deng et al., Biochem. Biophys. Res. Comm., 282, 148-152 (2001)), it has been reported that this phenomenon is especially noticeable during brain transplantation in animal models (Azizi., et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, 4080-4085 ( 1998); and Kopen., et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 10711-10716 (1999)). Therefore, the development of a direct method for inducing mesenchymal stem cells to differentiate into nerve cells continues to be required.

뉴로제닌(Neurogenin), 뉴로 D(NeuroD)는 신경계 형성에 있어 핵심적인 역할을 하는 염기성 나선-고리-나선(basic helix-loop-helix; 이하, bHLH) 계열의 전사인자로서 E12 또는 E47과 같은 bHLH 구조를 갖는 단백질과 복합체를 이루어, E-box(CANNTG) 또는 드물게는 N-box를 포함하는 DNA 서열에 결합한다. 이러한 결합은 bHLH 구조의 전사인자들이 신경세포의 분화를 증진시키는 조직 특이적인 유전자의 발현을 활성화하는데 필수적임이 밝혀져 있다(Lee, Curr. Opni. Genet. Dev., 7, 13-20 (1997)).Neurogenin and NeuroD are transcription factors of the basic helix-loop-helix (bHLH) family that play a key role in the formation of the nervous system, and are bHLHs such as E12 or E47. It forms a complex with a structural protein and binds to a DNA sequence containing the E-box (CANNTG) or, rarely, the N-box. This binding has been shown to be essential for bHLH structural transcription factors to activate the expression of tissue-specific genes that promote neuronal differentiation (Lee, Curr. Opni. Genet. Dev., 7, 13-20 (1997)) .

이에, 안정성이 높은 중간엽 줄기세포를 효과적으로 신경세포로 분화시키는 물질을 개발하기 위해 연구한 결과, 중간엽 줄기세포에 뉴로제닌(Neurogenin) 또는 뉴로 D(neuroD)와 같은 bHLH 계열의 전사인자를 도입하여 이러한 전사인자를 지속적으로 발현하는 중간엽 줄기세포를 제조하고 이를 동물모델의 뇌에 이식하였을 때 높은 비율로 신경세포로 분화되는 것을 확인하였다(한국 공개특허 제10-2004-0016785호 및 제10-2012-0130584호).Accordingly, research was conducted to develop a material that effectively differentiates highly stable mesenchymal stem cells into neural cells, and the result was the introduction of bHLH family transcription factors such as Neurogenin or NeuroD into mesenchymal stem cells. When mesenchymal stem cells that continuously expressed these transcription factors were prepared and transplanted into the brain of an animal model, it was confirmed that they differentiated into neural cells at a high rate (Korean Patent Publication Nos. 10-2004-0016785 and 10 -2012-0130584).

그러나, 상기 뉴로제닌(Neurogenin) 또는 뉴로 D(neuroD)와 같은 bHLH 계열의 전사인자가 도입되어 이러한 전사인자를 지속적으로 발현하는 중간엽 줄기세포 투여에 따른 효과는 혈관뇌장벽(blood-brain barrier; BBB)을 잘 투과하여 병변까지 치료제가 효율적으로 도달하여야만 달성될 수 있다.However, the effect of administering mesenchymal stem cells that introduce bHLH family transcription factors such as Neurogenin or NeuroD and continuously express these transcription factors is due to the blood-brain barrier; This can only be achieved if the treatment effectively penetrates the BBB and reaches the lesion.

혈관뇌장벽(blood-brain barrier; BBB)은 혈중물질을 선택적으로 뇌실질내로 투과시킴으로써 뇌실질내의 투과물질의 조성을 변화시키는 작용을 한다. 그러나 혈관뇌장벽의 이러한 역할은 뇌종양 등의 뇌질환에서 치료제를 투여할 경우 치료제가 뇌실질 내로 전달되는 것을 제한하여 치료의 효과를 감소시킴은 여러 차례 보고되어 왔다. 만성 뇌졸중의 경우 뇌졸중 발병으로 인한 급성기의 혈관뇌장벽의 손상과 그에 따른 혈관뇌장벽 개방이 회복되면서 혈관으로 주입된 치료제의 치료 효과가 나타나지 않았다. 이러한 제한성을 극복하기 위하여 혈관뇌장벽을 효과적으로 투과할 수 있는 투여경로의 선정 및 혈관뇌장벽을 효과적으로 투과할 수 있는 추가적인 제제의 개발이 요구되고 있다.The blood-brain barrier (BBB) acts to change the composition of permeable substances within the brain parenchyma by selectively allowing substances in the blood to permeate into the brain parenchyma. However, it has been reported several times that this role of the blood-brain barrier reduces the effectiveness of treatment by limiting the delivery of the treatment into the brain parenchyma when administering treatment for brain diseases such as brain tumors. In the case of chronic stroke, the damage to the blood-brain barrier in the acute phase due to stroke onset and subsequent recovery of blood-brain barrier opening did not result in the therapeutic effect of intravenously injected treatments. To overcome these limitations, selection of an administration route that can effectively penetrate the blood-brain barrier and development of additional agents that can effectively penetrate the blood-brain barrier are required.

세포 치료제를 투여하는 방법에는 뇌내투여, 정맥투여 및 동맥투여 방식이 있다. 뇌내투여(Intracerebral, IC)의 경우 세포 이식에서 가장 신뢰도가 높은 투여방식이지만, 발작, 만성 결막하혈종, 피질정맥폐색, 시술 후 임상 악화와 같은 위험한 합병증으로 인해 임상분야에서 선호되지 않으며, 정맥투여(Intravenous, IV)는 중간엽 줄기세포가 목적하는 위치에 도착하기 전에 대부분이 간 또는 폐에서 걸러지기 때문에 잠재적으로 치료 효과를 감소시키는 문제점이 있다. 그에 비하여 동맥투여(Intra-arterial, IA)의 경우, 이론적으로 정맥투여에 비하여 이식의 예측가능성이 높고 뇌내투여에 비하여 덜 침습적이기 때문에 실현 가능성이 높을 것으로 판단되었지만, 실제 치료효과에 대한 개시가 없었다.Methods for administering cell therapy include intracerebral administration, intravenous administration, and arterial administration. Intracerebral (IC) administration is the most reliable administration method for cell transplantation, but it is not preferred in the clinical field due to dangerous complications such as seizures, chronic subconjunctival hematoma, cortical vein occlusion, and clinical deterioration after the procedure, and intravenous administration is not preferred. (Intravenous, IV) has the problem of potentially reducing the therapeutic effect because most of the mesenchymal stem cells are filtered out in the liver or lungs before they arrive at the target location. In contrast, in the case of intra-arterial (IA) administration, it was judged to be more feasible because it theoretically has a higher predictability of transplantation compared to intravenous administration and is less invasive than intracerebral administration, but there was no disclosure about the actual treatment effect. .

만니톨은 식품, 의료, 제약, 화장품의 원료로서 폭 넓게 이용되는 당 알코올이다. 화학식은 C6H14O6로, D- 형과 L- 형이 모두 존재하나 자연계에는 D-형 만니톨이 널리 분포한다. 또한, 만니톨은 삼투압 제제로 이뇨 효과가 있으며, 그 외에도 적혈구의 구조를 변화시키고, 적혈구 용적률(hematocrit)을 감소시켜서 미세순환(microcirculation)을 호전시키고 혈관벽을 파괴하는 등 다양한 작용을 하는 것으로 알려져 있다.Mannitol is a sugar alcohol widely used as a raw material for food, medicine, pharmaceuticals, and cosmetics. The chemical formula is C 6 H 14 O 6 , and both D- and L- forms exist, but D-type mannitol is widely distributed in nature. In addition, mannitol is an osmotic agent and has a diuretic effect. In addition, it is known to have various effects such as changing the structure of red blood cells, improving microcirculation by reducing hematocrit, and destroying blood vessel walls.

이에, 본 발명자들은 염기성 나선-고리-나선(basic helix-loop-helix; bHLH) 계열의 신경형성 전사인자 유전자가 도입된 성체 줄기세포주를 유효성분으로 포함하는 약학적 조성물의 투여방법에 대하여 연구한 결과, 만니톨을 투여한 뒤 신경형성 전사인자 유전자가 도입된 중간엽 줄기세포를 동맥 투여(Intra-arterial, IA)하면 신경계 질환, 특히 만성 뇌졸중 및 알츠하이머의 예방 또는 치료 효과가 극대화 되는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors studied a method of administering a pharmaceutical composition containing as an active ingredient an adult stem cell line into which a basic helix-loop-helix (bHLH) series neurogenesis transcription factor gene has been introduced. As a result, it was confirmed that administering mannitol followed by intra-arterial (IA) administration of mesenchymal stem cells into which neurogenic transcription factor genes were introduced maximized the effectiveness of preventing or treating neurological diseases, especially chronic stroke and Alzheimer's. The invention was completed.

특허문헌 1: 한국 공개특허 제10-2004-0016785호Patent Document 1: Korean Patent Publication No. 10-2004-0016785 특허문헌 2: 한국 공개특허 제10-2012-0130584호Patent Document 2: Korean Patent Publication No. 10-2012-0130584

본 발명의 목적은 혈관뇌장벽을 일시적으로 개방시켜 줄기세포 치료제의 경색부위로의 접근과 신경계 질환의 치료적 효능을 높이기 위한 약학적 조성물을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a pharmaceutical composition for temporarily opening the blood-brain barrier to allow stem cell therapeutics to access the infarcted area and increase the therapeutic efficacy of neurological diseases.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 염기성 나선-고리-나선(basic helix-loop-helix; bHLH) 계열의 신경형성 전사인자 유전자가 도입된 성체 줄기세포주를 유효성분으로 포함하고, 만니톨이 투여된 뒤 동맥 투여(intra-arterial administration)하는 것을 특징으로 하는 신경계 질환 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes as an active ingredient an adult stem cell line into which a basic helix-loop-helix (bHLH) series neurogenic transcription factor gene has been introduced, and mannitol is administered. Provided is a pharmaceutical composition for preventing or treating neurological diseases, which is administered by intra-arterial administration.

본 발명은 염기성 나선-고리-나선(basic helix-loop-helix; bHLH) 계열의 신경형성 전사인자 유전자가 도입된 성체 줄기세포주를 포함하고 만니톨이 투여된 뒤 동맥 투여(Intra-arterial)는 것을 특징으로 하는 신경계 질환 예방 또는 치료용 약학적 조성물에 관한 것으로, 상기 약학적 조성물을 투여함에 따라 뇌졸중 후 수반되는 세포사멸에 의한 만성적인 신체장애를 극복할 수 있으므로 뇌졸중을 비롯하여 파킨슨병, 알츠하이머병, 헌팅톤 무도병, 근위축성 측삭 경화증, 척수손상 등의 신경계 질환에 적용 가능한 새로운 치료제로 개발되어 임상 및 각종 연구를 위해 폭넓게 이용될 수 있다.The present invention includes an adult stem cell line into which a basic helix-loop-helix (bHLH) series neurogenesis transcription factor gene has been introduced, and is administered intra-arterially after mannitol is administered. It relates to a pharmaceutical composition for preventing or treating neurological diseases, and administration of the pharmaceutical composition can overcome chronic physical disorders caused by cell death that accompany stroke, including stroke, Parkinson's disease, Alzheimer's disease, and neuropathy. It has been developed as a new treatment applicable to neurological diseases such as tone chorea, amyotrophic lateral sclerosis, and spinal cord injury, and can be widely used for clinical and various research purposes.

도 1a는 형광현미경 상으로 관찰한 GFP 양성 MSC 및 MSC/Ngn1 세포 사진과 프러시안 블루(Prussian blue) 염색법을 이용하여 자성 철 산화물(superparamagnetic iron oxide, SPIO) 표지를 확인한 현미경 사진이다.
도 1b는 SPIO로 표지된 세포를 만성 뇌졸중 동물 모델의 내경동맥으로 이식한 후, 4시간 및 24시간에 MRI로 뇌 단면을 촬영한 사진이다.
도 1c는 MRI 상으로 관찰되는 SPIO에 대한 신호를 기반으로 동물모델의 뇌조직에 잔존하는 세포가 차지하는 면적을 정량화한 그래프이다.
도 2a는 bEnd.3 세포에서 만니톨을 처리한 후의 혈관내피세포 투과 저항값(TEER)을 측정한 것으로 밀착 연접 형성이 만니톨에 의해 감소함을 나타내는 그래프이다.
도 2b는 배양한 bEnd.3 세포에 만니톨을 처리한 후 150kda 형광물질(FITC-dextran)의 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 2c는 배양한 bEnd.3 세포에 만니톨 처리 전, 후 밀착 연접 마커인 ZO-1과 Claudin-5의 발현을 면역세포화학법(immunocytochemistry)으로 확인한 결과를 나타낸 형광현미경 사진이다.
도 2d는 배양한 bEnd.3 세포에 만니톨을 처리한 후 세포에서의 밀착 연접 마커의 발현량을 웨스턴 블랏팅으로 확인한 결과를 나타낸 도이다.
도 2e는 배양한 bEnd.3 세포에 만니톨을 처리한 후 세포에서의 밀착 연접 마커인 Z0-1의 상대적 발현량을 정량적으로 나타낸 그래프이다.
도 2f는 배양한 bEnd.3 세포에 만니톨을 처리한 후 세포에서의 밀착 연접 마커인 Claudin-5의 상대적 발현량을 정량적으로 나타낸 그래프이다.
도 3a는 밀착 연접을 형성한 bEnd.3에 만니톨을 처리한 후 MSC-GFP와 MSC/Ngn1-GFP 세포 이동성을 비교한 실험 모식도이다.
도 3b는 인서트 아래쪽으로 이동한 세포 수를 정량하여 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 혈청(FBS) 제거, 저산소 조건의 환경에서 MSC 및 MSC/Ngn1 세포의 저항성을 측정하여 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 혈관뇌장벽이 정상인 동물 모델에서 만니톨과 에반스 블루 염료를 꼬리 정맥(IV)과 내경동맥(IA)으로 주입했을 때 분리된 뇌조직 사진을 나타낸 도이다.
도 5b는 만니톨을 내경동맥으로 주입하였을 때 주입속도가 정상 동물모델에서 혈관뇌장벽 투과성에 영향을 미침을 보여주는 사진이다.
도 6a는 동물 모델에 내경동맥으로 만니톨을 주입하고 시간대 별로 에반스 블루 염료를 주입한 모식도를 나타낸 도이다.
도 6b는 정상 동물 모델에 만니톨을 주입하고 시간대 별로 에반스 블루 염료를 주입한 후, 분리된 뇌조직의 사진을 나타낸 도이다.
도 6c는 만성 뇌졸중 동물 모델에 만니톨을 주입하고 시간대 별로 에반스 블루 염료를 주입한 후, 분리된 뇌조직의 사진을 나타낸 도면이다.
도 7a는 MRI를 이용한 뇌졸중 동물 모델의 선별과 SPIO로 표지된 세포를 이식한 후 뇌 단면을 촬영한 사진을 나타낸 도면이다.
도 7b는 MRI 상으로 관찰되는 SPIO에 대한 신호를 기반으로 동물 모델의 뇌 조직에 잔존하는 세포를 정량화한 그래프이다.
도 8a는 세포 이식 1시간, 24시간, 1주일 후 혈관 외 세포의 유출을 확인한 사진이다.
도 8b는 허혈성 병변 주위 영역의 GFP 양성 세포를 정량하여 나타낸 그래프이다.
도 8c는 허혈성 병변 반구에 분포하는 줄기세포의 수를 AluJ-qPCR을 이용해 정량하여 나타낸 그래프이다.
도 8d는 만니톨 전처리 후 MSC 및 MSC/Ngn1 세포가 투여된 만성 뇌졸중 동물 모델의 뇌 조직에서 hMT/NeuN, hMT/MAP2, 및 hMT/GFAP 양성 세포를 나타낸 형광현미경 사진이다.
도 9a는 뇌졸중 동물 모델에서 코너 테스트(Corner test) 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9b는 뇌졸중 동물 모델에서 로타로드 테스트(Rotarod test) 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9c는 뇌졸중 동물 모델에서 부착물 제거 테스트(Adhesive removal test) 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
Figure 1a is a photograph of GFP-positive MSC and MSC/Ngn1 cells observed under a fluorescence microscope and a microscope photograph confirming superparamagnetic iron oxide (SPIO) labeling using Prussian blue staining.
Figure 1b is a picture of a brain cross-section taken by MRI at 4 and 24 hours after transplanting SPIO-labeled cells into the internal carotid artery of a chronic stroke animal model.
Figure 1c is a graph quantifying the area occupied by cells remaining in the brain tissue of an animal model based on the signal for SPIO observed on MRI.
Figure 2a is a graph measuring the vascular endothelial cell penetration resistance (TEER) after mannitol treatment in bEnd.3 cells, showing that tight junction formation is reduced by mannitol.
Figure 2b is a graph showing the permeability of a 150 kda fluorescent substance (FITC-dextran) after treating cultured bEnd.3 cells with mannitol.
Figure 2c is a fluorescence micrograph showing the results of immunocytochemistry confirming the expression of tight junction markers ZO-1 and Claudin-5 in cultured bEnd.3 cells before and after mannitol treatment.
Figure 2d is a diagram showing the results of Western blotting confirming the expression level of tight junction markers in cultured bEnd.3 cells after treating them with mannitol.
Figure 2e is a graph quantitatively showing the relative expression level of Z0-1, a tight junction marker, in cultured bEnd.3 cells after treatment with mannitol.
Figure 2f is a graph quantitatively showing the relative expression level of Claudin-5, a tight junction marker, in cultured bEnd.3 cells after treatment with mannitol.
Figure 3a is a schematic diagram of an experiment comparing the mobility of MSC-GFP and MSC/Ngn1-GFP cells after treating bEnd.3, which formed tight junctions, with mannitol.
Figure 3b is a graph showing the results of quantifying and comparing the number of cells that moved to the bottom of the insert.
Figure 4 is a graph showing the results of measuring and comparing the resistance of MSC and MSC/Ngn1 cells in an environment without serum (FBS) and hypoxic conditions.
Figure 5a is a diagram showing a photograph of brain tissue separated when mannitol and Evans blue dye were injected into the tail vein (IV) and internal carotid artery (IA) in an animal model with a normal blood-brain barrier.
Figure 5b is a photograph showing that when mannitol is injected into the internal carotid artery, the injection speed affects the blood-brain barrier permeability in a normal animal model.
Figure 6a is a schematic diagram showing the injection of mannitol into the internal carotid artery and Evans blue dye at different times in an animal model.
Figure 6b is a diagram showing a photograph of brain tissue separated after mannitol was injected into a normal animal model and Evans blue dye was injected at different times.
Figure 6c is a diagram showing a photograph of brain tissue separated after mannitol was injected into a chronic stroke animal model and Evans blue dye was injected at different times.
Figure 7a is a diagram showing a photograph of a brain cross-section after selection of a stroke animal model using MRI and transplantation of SPIO-labeled cells.
Figure 7b is a graph quantifying the cells remaining in the brain tissue of an animal model based on the signal for SPIO observed on MRI.
Figure 8a is a photograph confirming the outflow of extravascular cells 1 hour, 24 hours, and 1 week after cell transplantation.
Figure 8b is a graph showing the quantification of GFP positive cells in the area around the ischemic lesion.
Figure 8c is a graph showing the number of stem cells distributed in the ischemic lesion hemisphere quantified using AluJ-qPCR.
Figure 8d is a fluorescence micrograph showing hMT/NeuN, hMT/MAP2, and hMT/GFAP positive cells in brain tissue of a chronic stroke animal model administered MSC and MSC/Ngn1 cells after mannitol pretreatment.
Figure 9a is a graph showing the results of the Corner test in a stroke animal model.
Figure 9b is a graph showing the results of the Rotarod test in a stroke animal model.
Figure 9c is a graph showing the results of an adhesive removal test in a stroke animal model.

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

본 발명에서 용어 "염기성 나선-고리-나선(basic helix-loop-helix; 이하, bHLH)"은 전사인자의 모양을 나타내는 말로서, 꽈배기(helix)처럼 꼬인 두 개의 분자가 고리(loop)로 연결되어 있는 것을 의미하며, 염기성 나선-고리-나선 계열의 전사인자는 다세포 동물의 유전자 발현에 중요한 역할을 하는 것으로 보고되었다.In the present invention, the term "basic helix-loop-helix (hereinafter, bHLH)" refers to the shape of a transcription factor, where two molecules twisted like a twisted helix are connected by a loop. It is reported that transcription factors of the basic helix-loop-helix series play an important role in gene expression in multicellular animals.

본 발명에서 bHLH 계열의 전사인자로는 신경형성 전사인자가 사용될 수 있으며, 신경형성 전사인자 유전자로는, 예를 들어, 뉴로제닌 1 유전자(GenBank Accession No. U63842, GenBank Accession No. U67776), 뉴로제닌 2 유전자(GenBank Accession No. 76207, GenBank Accession No. AF303001), 뉴로 D1 유전자(GenBank Accession No. U24679, GenBank Accession No. AB018693), MASH1 유전자(GenBank Accession No. M95603, GenBank Accession No. L08424), MATH3 유전자(GenBank Accession No. D85845), 및 E47 유전자(GenBank Accession No. M65214, GenBank Accession No. AF352579) 등의 염기서열 정보로부터 얻어지는 cDNA를 클로닝하거나 합성하여 사용할 수 있으며, 이와 동등하거나 유사한 활성을 나타낼 수 있다면 이들 서열의 일부가 변형, 결실, 치환된 것도 사용될 수 있다.In the present invention, neurogenesis transcription factors can be used as the bHLH family transcription factors, and examples of neurogenesis transcription factor genes include, for example, neurogenin 1 gene (GenBank Accession No. U63842, GenBank Accession No. U67776), neurogenesis Genin 2 gene (GenBank Accession No. 76207, GenBank Accession No. AF303001), Neuro D1 gene (GenBank Accession No. U24679, GenBank Accession No. AB018693), MASH1 gene (GenBank Accession No. M95603, GenBank Accession No. L08424), cDNA obtained from base sequence information such as the MATH3 gene (GenBank Accession No. D85845) and the E47 gene (GenBank Accession No. M65214, GenBank Accession No. AF352579) can be cloned or synthesized and used, and may exhibit equivalent or similar activity. If possible, parts of these sequences may be modified, deleted, or substituted.

본 발명에서 용어, "성체 줄기세포(adult stem cell)"는 필요한 때에 특정한 조직의 세포로 분화되는 미분화 상태의 세포를 의미하며, 상기 성체 줄기세포주는 골수, 지방조직, 혈액, 제대혈, 탯줄, 간장, 피부, 위장관, 태반, 자궁, 또는 낙태아로부터 유래한 줄기세포일 수 있다. 바람직하게 성체 줄기 세포주는 골수 유래 성체 줄기 세포주이고, 더욱 바람직하게는 골수 유래 중간엽 줄기세포이다. 골수 유래 성체 줄기세포는 혈액 및 림프구를 생산할 수 있는 조혈모세포를 비롯하여 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cell; MSC) 등 여러 종류의 성체 줄기세포를 가지고 있으며, 그 중 중간엽 줄기세포는 체외에서 증식이 용이하며 여러 가지 세포 형태(지방세포, 연골세포, 근육세포, 및 뼈세포)로 분화 가능한 세포로서(Caplan, A.I., J. Orthop. Res., 9:641-650, 1991; Beresford, J. N., et al., J. Cell Sci., 102:341-351, 1992; Pittenger, M.F., et al., Science, 284:143-147, 1999; Patricia, A. Z., et al., Tissue engineering, 7:211-227, 2001), 유전자 치료 및 세포 치료에 있어서 유용한 타겟(target)으로 이용될 수 있다(Banfi, A., et al., Exp. Hematology, 28:707-715, 2000).In the present invention, the term "adult stem cell" refers to an undifferentiated cell that differentiates into cells of a specific tissue when necessary, and the adult stem cell line includes bone marrow, adipose tissue, blood, umbilical cord blood, umbilical cord, and liver. , may be stem cells derived from the skin, gastrointestinal tract, placenta, uterus, or aborted fetus. Preferably, the adult stem cell line is a bone marrow-derived adult stem cell line, and more preferably, it is a bone marrow-derived mesenchymal stem cell line. Bone marrow-derived adult stem cells include several types of adult stem cells, including hematopoietic stem cells that can produce blood and lymphocytes and mesenchymal stem cells (MSC). Among them, mesenchymal stem cells can proliferate in vitro. As a cell that is easily differentiated into various cell types (adipocytes, chondrocytes, muscle cells, and bone cells) (Caplan, A.I., J. Orthop. Res., 9:641-650, 1991; Beresford, J. N., et al., J. Cell Sci., 102:341-351, 1992; Pittenger, M.F., et al., Science, 284:143-147, 1999; Patricia, A. Z., et al., Tissue engineering, 7:211- 227, 2001), and can be used as a useful target in gene therapy and cell therapy (Banfi, A., et al., Exp. Hematology, 28:707-715, 2000).

본 발명에서 용어, "염기성 나선-고리-나선 계열의 신경형성 전사인자 유전자가 도입된 성체 줄기세포주"는 상기 염기성 나선-고리-나선 계열의 신경형성 전사인자, 바람직하게는 서열번호 1의 뉴로제닌 1 유전자가 도입된 성체 줄기세포주를 의미한다.In the present invention, the term "adult stem cell line into which a basic helix-loop-helix neurogenesis transcription factor gene has been introduced" refers to the basic helix-loop-helix neurogenesis transcription factor, preferably neurogenin of SEQ ID NO: 1. 1 This refers to an adult stem cell line into which a gene has been introduced.

본 발명은 염기성 나선-고리-나선(basic helix-loop-helix; bHLH) 계열의 신경형성 전사인자 유전자가 도입된 성체 줄기 세포주 및 만니톨을 포함하고, 상기 bHLH 계열의 신경형성 전사인자가 도입된 성체 줄기 세포주 및 만니톨은 동맥 투여(intra-arterial administration)되는 것을 특징으로 하는 신경계 질환 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공한다.The present invention includes an adult stem cell line into which a basic helix-loop-helix (bHLH) series neurogenesis transcription factor gene has been introduced and mannitol, and an adult stem cell line into which the bHLH series neurogenesis transcription factor gene has been introduced. Stem cell lines and mannitol provide a pharmaceutical composition for preventing or treating neurological diseases, which is administered by intra-arterial administration.

상기 염기성 나선-고리-나선(basic helix-loop-helix; bHLH) 계열의 신경형성 전사인자 유전자는 벡터에 클로닝되어 성체 줄기세포에 도입되는 것일 수 있다.The basic helix-loop-helix (bHLH) series neurogenesis transcription factor gene may be cloned into a vector and introduced into adult stem cells.

본 발명에서 용어, "벡터"는 적당한 숙주세포에서 목적 단백질을 발현할 수 있는 발현 벡터로서, 유전자 삽입물이 발현되도록 작동가능하게 연결된 필수적인 조절 요소를 포함하는 유전자 작제물을 의미한다.In the present invention, the term “vector” refers to an expression vector capable of expressing a target protein in a suitable host cell, and refers to a genetic construct containing essential regulatory elements operably linked to express the gene insert.

본 발명에서 용어, "작동가능하게 연결된(operably linked)"은 일반적 기능을 수행하도록 핵산 발현조절 서열과 목적하는 단백질을 코딩하는 핵산 서열이 기능적으로 연결(functional linkage)되어 있는 것을 의미한다. 재조합 벡터와의 작동적 연결은 당해 기술 분야에서 잘 알려진 유전자 재조합 기술을 이용하여 제조할 수 있으며, 부위-특이적 DNA 절단 및 연결은 당해 기술 분야에서 일반적으로 알려진 효소 등을 사용한다.In the present invention, the term "operably linked" means that a nucleic acid expression control sequence and a nucleic acid sequence encoding a protein of interest are functionally linked to perform a general function. Operational linkage with a recombinant vector can be made using genetic recombination techniques well known in the art, and site-specific DNA cutting and ligation can be done using enzymes generally known in the art.

벡터는 플라스미드 벡터, 코즈미드 벡터, 및 바이러스 벡터 등을 포함한다. 바람직하게는, 바이러스 벡터이다. 바이러스 벡터는 레트로바이러스(Retrovirus), 예를 들어 HIV(Human immunodeficiency virus) MLV(Murineleukemia virus) ASLV(Avian sarcoma/leukosis), SNV(Spleen necrosis virus), RSV(Rous sarcoma virus), MMTV(Mouse mammary tumor virus), MSV (Murine sarcoma virus) 및 렌티바이러스(Lentivirus), 아데노바이러스(Adenovirus), 아데노 관련 바이러스(Adeno-associated virus), 헤르페스 심플렉스 바이러스(Herpes simplex virus) 등에서 유래한 벡터를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.Vectors include plasmid vectors, cosmid vectors, viral vectors, etc. Preferably, it is a viral vector. Viral vectors include retroviruses, such as Human immunodeficiency virus (HIV), Murineleukemia virus (MLV), Avian sarcoma/leukosis (ASLV), Spleen necrosis virus (SNV), Rous sarcoma virus (RSV), and Mouse mammary tumor (MMTV). This includes vectors derived from MSV (Murine sarcoma virus), Lentivirus, Adenovirus, Adeno-associated virus, and Herpes simplex virus. Not limited.

본 발명의 상기 약학적 조성물은 혈관뇌장벽(Blood Brain Barrier; BBB)을 개방시켜 상기 줄기세포를 뇌와 중추신경계에 효과적으로 전달하기 위한 만니톨을 주입하고, 상기 줄기세포주를 동맥투여하는 것이다. The pharmaceutical composition of the present invention is to inject mannitol to effectively deliver the stem cells to the brain and central nervous system by opening the blood brain barrier (BBB), and to administer the stem cell line arterially.

신경계 질환의 성공적인 치료를 위해서는 약물을 뇌신경계에 효율적으로 전달하는 것이 매우 중요하다. 그러나 뇌신경계 조직이 뇌경질막(dura mater), 뇌연질막(pia mater)과 혈관뇌장벽(BBB)으로 둘러싸여 있기 때문에 치료 약물의 전달 효율이 매우 낮다. 또한, 기존의 일반적인 약물 투여 방법에 의해서도 적정량의 치료 약물 전달을 위해서는 환부에 필요한 약물보다 많은 양의 약물 투여가 필요하고 이에 따른 부작용을 수반하는 문제점이 있다.For successful treatment of neurological diseases, it is very important to efficiently deliver drugs to the cranial nervous system. However, because the brain nervous system tissue is surrounded by the dura mater, pia mater, and blood brain barrier (BBB), the delivery efficiency of therapeutic drugs is very low. In addition, even with existing general drug administration methods, there is a problem in that in order to deliver an appropriate amount of therapeutic drug, a larger amount of drug must be administered to the affected area than the drug needed, resulting in side effects.

따라서, 상기한 바와 같이 본 발명에서는 줄기세포를 효과적으로 뇌에까지 전달시키기 위하여 만니톨(mannitol)을 먼저 사용하여 혈관뇌장벽을 개방시킨 후 줄기세포를 투여함으로써 줄기세포를 효과적으로 전달 및 신경계 질환을 예방 또는 치료하도록 하고 있다. 만니톨(mannitol)은 상두개골에서 압력을 축소시키는 혈관확장 신경약 이며, 혈관뇌장벽을 형성하는 내피세포들을 대상으로 일시적이고 강력한 수축을 유도시킬 수 있기 때문에 알츠하이머(Alzheimer's disease)와 같은 뇌질환 환자의 약물을 환자에게 투여할 때 사용되는 약물로 알려져있다.Therefore, as described above, in the present invention, in order to effectively deliver stem cells to the brain, mannitol is first used to open the blood-brain barrier and then the stem cells are administered, thereby effectively delivering stem cells and preventing or treating neurological diseases. It is being done. Mannitol is a vasodilator drug that reduces pressure in the superior skull, and can induce temporary and strong contraction of the endothelial cells that form the blood-brain barrier, making it effective in treating patients with brain diseases such as Alzheimer's disease. It is known as a drug used when administering drugs to patients.

본 발명의 동맥투여는 경동맥 투여가 바람직하다.For arterial administration of the present invention, carotid artery administration is preferred.

상기 경동맥은 동맥의 하나로 3가지 혈관인 총경동맥(common carotid artery), 외경동맥(external carotid artery, ICA), 내경동맥(internal carotid artery, ICA)으로 나누어진다.The carotid artery is one of the arteries and is divided into three blood vessels: the common carotid artery, the external carotid artery (ICA), and the internal carotid artery (ICA).

상기 경동맥 투여는 내경동맥(internal carotid artery, ICA) 투여가 바람직하다.The carotid artery administration is preferably administered through the internal carotid artery (ICA).

상기 경동맥 투여는 투여 전 익구개 동맥 (pterygopalatine artery; PPA)을 결찰하여 투여되나, 환자에 따라 이 과정을 생략할 수 있다.The carotid artery administration is administered by ligating the pterygopalatine artery (PPA) before administration, but this process can be omitted depending on the patient.

상기 염기성 나선-고리-나선계열의 신경형성 전사인자 유전자가 도입된 성체 줄기세포주는 만니톨이 주입된 뒤에 투여된다.The adult stem cell line into which the basic helix-loop-helix neurogenesis transcription factor gene has been introduced is administered after mannitol is injected.

상기 만니톨은 0.5 내지 3g/kg의 용량으로 주입될 수 있고, 바람직하게는 1 내지 3g/kg의 용량으로 주입될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1 내지 2g/kg의 용량으로 주입될 수 있다.The mannitol can be injected at a dose of 0.5 to 3 g/kg, preferably at a dose of 1 to 3 g/kg, and more preferably at a dose of 1 to 2 g/kg.

상기 만니톨은 15초에 1 내지 5㎖의 속도로 볼루스(bolus) 주입되는 것일 수 있고, 바람직하게는 15초에 1 내지 4㎖의 속도로 볼루스(bolus) 주입되는 것일 수 있으며, 더 바람직하게는 15초에 1 내지 2㎖의 속도로 볼루스(bolus) 주입되는 것일 수 있다.The mannitol may be injected as a bolus at a rate of 1 to 5 ml per 15 seconds, and preferably may be injected as a bolus at a rate of 1 to 4 ml per 15 seconds, more preferably. In other words, it may be injected as a bolus at a rate of 1 to 2 ml per 15 seconds.

볼루스 주입이란 혈액 내 약물 농도를 높이기 위해 일반적으로 1 내지 30분 이내에 특정 시간 내에 약물, 약물 또는 기타 화합물을 개별적으로 투여하는 주입 속도가 빠른 주입 방법이다.Bolus injection is a fast injection method in which drugs, drugs, or other compounds are individually administered within a specific time period, generally within 1 to 30 minutes, to increase the drug concentration in the blood.

또한, 상기 염기성 나선-고리-나선계열의 신경형성 전사인자 유전자가 도입된 성체 줄기 세포주는 1×104 개/kg 내지 1×109 개/kg 투여될 수 있고, 바람직하게는 1×105 개/kg 내지 1×108 개/kg 투여될 수 있으며, 더 바람직하게는 5×105 개/kg 내지 5×107 개/kg 투여될 수 있다.In addition, the adult stem cell line into which the basic helix-loop-helix neurogenesis transcription factor gene has been introduced may be administered at 1×10 4 to 1×10 9 cells/kg, preferably 1×10 5 It may be administered at a dose of from 1×10 8 dogs/kg, and more preferably between 5×10 5 dogs/kg and 5×10 7 dogs/kg.

상기 염기성 나선-고리-나선계열의 신경형성 전사인자 유전자가 도입된 성체 줄기세포주는 신경세포 및 신경교세포로 분화한다.The adult stem cell line into which the basic helix-loop-helix neurogenesis transcription factor gene is introduced differentiates into neurons and glial cells.

본 발명의 상기 약학적 조성물은 신경계 질환 예방 또는 치료를 위해 동맥 투여(Intra-arterial)되는 것일 수 있다. 신경계 질환의 효과적인 예방 또는 치료를 위해 본 발명자들은 다양한 투여경로를 연구하였다. 구체적으로 뇌내투여 (Intracerebral, IC)의 경우 세포 이식에서 가장 신뢰도가 높은 투여방식이지만, 발작, 만성 결막하혈종, 피질정맥폐색, 시술 후 임상 악화와 같은 위험한 합졍증으로 인해 임상분야에서 선호되지 않으며, 정맥투여 (Intravenous, IV)는 간엽 줄기세포가 목적하는 위치에 도착하기 전에 대부분이 간 또는 폐에서 걸러지기 때문에 잠재적으로 치료 효과를 감소시키는 문제점이 있다. 그에 비하여 동맥투여 (Intra-arterial, IA)의 경우, 이론적으로, 정맥투여에 비하여 이식의 예측가능성이 높고 뇌내투여에 비하여 덜 침습적이기 때문에 실현 가능성이 높을 것으로 판단되었고, 도 9a, 9b 및 9c에서 확인된 바와 같이 신경계 질환, 구체적으로 만성 뇌졸중에서 치료효과를 확인하였다. The pharmaceutical composition of the present invention may be administered intra-arterially for the prevention or treatment of neurological diseases. For effective prevention or treatment of neurological diseases, the present inventors studied various administration routes. Specifically, intracerebral administration (IC) is the most reliable administration method for cell transplantation, but is not preferred in the clinical field due to dangerous complications such as seizures, chronic subconjunctival hematoma, cortical vein occlusion, and clinical deterioration after the procedure. , Intravenous (IV) administration has the problem of potentially reducing the therapeutic effect because most of the mesenchymal stem cells are filtered out in the liver or lungs before they arrive at the target location. In contrast, in the case of intra-arterial (IA) administration, theoretically, it was judged to be more feasible because it has a higher predictability of transplantation compared to intravenous administration and is less invasive than intracerebral administration, as shown in Figures 9a, 9b, and 9c. As confirmed, the therapeutic effect was confirmed in neurological diseases, specifically chronic stroke.

본 발명에서 용어, "신경계 질환"은 신경 특히, 뇌신경과 관련된 여러 가지 질병을 총칭하는 용어를 의미한다. 상기 신경계 질환은 파킨슨병(Parkinson's disease), 알츠하이머병(Alzheimer disease), 헌팅톤 무도병 (Huntington's chorea), 근위축성 측면 경화증(amyotriophic lateral sclerosis), 간질(epilepsy), 정신분열증 (schizophrenia), 만성 뇌졸중(chronic stroke) 또는 척수손상(spinal cordinjuries) 일 수 있으며, 바람직하게는 파킨슨병(Parkinson's disease), 알츠하이머병(Alzheimer disease), 근위축성 측면 경화증(amyotriophic lateral sclerosis) 또는 만성 뇌졸중이다.In the present invention, the term “neurological disease” refers to a general term for various diseases related to nerves, especially cranial nerves. The neurological diseases include Parkinson's disease, Alzheimer's disease, Huntington's chorea, amyotriophic lateral sclerosis, epilepsy, schizophrenia, and chronic stroke ( It may be chronic stroke or spinal cord injury, preferably Parkinson's disease, Alzheimer's disease, amyotriophic lateral sclerosis, or chronic stroke.

본 발명에서 용어, "예방"은 뉴로제닌 1 유전자가 도입된 성체 줄기세포주를 이용하여 신경계 질환과 관련된 모든 질병의 발병을 억제 또는 지연하는 모든 행위를 의미한다.In the present invention, the term “prevention” refers to any action that suppresses or delays the onset of any disease related to neurological diseases using an adult stem cell line into which the Neurogenin 1 gene has been introduced.

본 발명에서 용어, "치료"는 상기 세포주를 사용하여 신경계 질환을 호전시키거나 이롭게 변경하는 모든 행위를 의미한다. 바람직하게 본 발명의 형질전환된 줄기세포를 이용하여 만성 뇌졸중을 효과적으로 치료할 수 있다.In the present invention, the term “treatment” refers to any action that improves or beneficially changes a neurological disease using the cell line. Preferably, chronic stroke can be effectively treated using the transformed stem cells of the present invention.

본 발명의 구체적인 실시예에서, 본 발명자들은 골수로부터 중간엽 줄기세포를 분리하고, 여기에 뉴로제닌 1을 도입하여 뉴로제닌 1이 도입된 중간엽 줄기세포를 제조하였다.In a specific example of the present invention, the present inventors isolated mesenchymal stem cells from bone marrow and introduced Neurogenin 1 into them to prepare mesenchymal stem cells into which Neurogenin 1 was introduced.

뉴로제닌 1이 도입된 중간엽 줄기세포는 뇌졸중 유도 후 염증반응이 활발한 급성기 뇌졸중에서 뉴로제닌 1이 도입되지 않은 중간엽 줄기세포보다 세포의 이식률이 높다. 이는 뉴로제닌 1이 도입된 중간엽 줄기세포에서 염증성 사이토카인(inflammatory cytokines) 수용체의 발현이 증가하여 뇌손상 부위의 염증성 사이토카인에 대한 반응성이 증가하기 때문으로 추정되고 있다.Mesenchymal stem cells into which Neurogenin 1 has been introduced have a higher cell transplantation rate than mesenchymal stem cells into which Neurogenin 1 has not been introduced in the acute stage of stroke when the inflammatory response is active after stroke induction. This is presumed to be because the expression of inflammatory cytokines receptors increases in mesenchymal stem cells into which Neurogenin 1 has been introduced, thereby increasing the responsiveness to inflammatory cytokines in the brain injury area.

그러나 만성 뇌졸중 모델에서는 뉴로제닌 1이 도입된 중간엽 줄기세포의 이와 같은 뇌졸중 병변 부위로의 이식률 증가 효과가 나타나지 않는다(도 1b 및 도 1c 참조). 이와 같은 결과는 급성 뇌졸중과는 달리 만성 뇌졸중에서는 염증 반응이 진정되고, 손상되었던 혈관뇌장벽이 일부 복원되었기 때문에 줄기세포가 병변으로 효과적으로 전달되지 않기 때문으로 판단된다. However, in the chronic stroke model, the effect of increasing the transplantation rate of neurogenin 1-introduced mesenchymal stem cells into the stroke lesion area is not shown (see Figures 1b and 1c). This result is believed to be because, unlike acute stroke, in chronic stroke, the inflammatory response has subsided and the damaged blood-brain barrier has been partially restored, so stem cells are not effectively delivered to the lesion.

따라서, 만성뇌졸중과 같은 혈관뇌장벽이 개방되지 않거나 적게 개방된 뇌질환에서는 줄기세포의 이동성을 증가시키는 추가적인 제제가 필요하다.Therefore, in brain diseases where the blood-brain barrier is not open or is only slightly open, such as chronic stroke, additional agents that increase the mobility of stem cells are needed.

본 발명에서는 혈관내피세포의 수축을 유도하여 혈관뇌장벽을 개방시키는 약제로 만니톨을 사용하였다. 만니톨이 혈관내피세포의 밀착연접에 미치는 영향을 알아보기 위해, 만니톨을 처리한 경우 혈관내피세포의 투과 저항성 및 형광 덱스트란의 투과된 용량을 측정한 결과, 만니톨을 처리하고 6시간까지 혈관내피세포의 투과 저항성은 감소하고, 형광 덱스트란의 투과된 용량은 증가한 것을 확인하였다(도 2a, 도 2b 참조).In the present invention, mannitol was used as an agent that induces contraction of vascular endothelial cells and opens the blood-brain barrier. To determine the effect of mannitol on the tight junctions of vascular endothelial cells, the permeation resistance of vascular endothelial cells and the permeable capacity of fluorescent dextran were measured when treated with mannitol. As a result, vascular endothelial cells remained intact for up to 6 hours after treatment with mannitol. It was confirmed that the penetration resistance of decreased and the transmitted capacity of fluorescent dextran increased (see Figures 2a and 2b).

또한, 밀착 연접 마커의 발현을 만니톨 처리 전, 후로 비교한 결과, 만니톨을 처리한 경우 밀착연접 마커의 발현이 감소하여 만니톨이 혈관뇌장벽의 밀착연접을 느슨하게 할 수 있다는 것을 확인하였다(도 2c, 도 2d, 도 2e 및 도 2f 참조).Additionally, as a result of comparing the expression of tight junction markers before and after mannitol treatment, the expression of tight junction markers decreased when treated with mannitol, confirming that mannitol can loosen the tight junctions of the blood-brain barrier (Figure 2c, 2D, 2E and 2F).

뉴로제닌 1이 도입된 중간엽 줄기세포와 대조군 중간엽 줄기세포가 만니톨 처리로 투과도가 증가된 혈관내피세포 층을 통과하여 바닥면으로 이동하는 속도는 차이가 없었다(도 3a 및 도 3b 참조). 이는 혈관뇌장벽이 일부 복원되고 염증반응이 진정된 동물모델(만성 뇌졸중 모델)에서, 뉴로제닌 1이 도입된 중간엽 줄기세포의 초기 이식률이 중간엽 줄기세포보다 높지 않음을 나타낸 결과와 일치한다.There was no difference in the speed at which the mesenchymal stem cells introduced with Neurogenin 1 and the control mesenchymal stem cells migrated to the bottom through the vascular endothelial cell layer whose permeability was increased by mannitol treatment (see Figures 3A and 3B). This is consistent with the results showing that the initial transplantation rate of mesenchymal stem cells introduced with Neurogenin 1 was not higher than that of mesenchymal stem cells in an animal model (chronic stroke model) in which the blood-brain barrier was partially restored and the inflammatory response was calmed. .

뉴로제닌 1이 도입된 중간엽 줄기세포가 중간엽 줄기세포보다 저산소 조건에서 저항성이 있음을 확인하여, 이는 뉴로제닌 1이 도입된 중간엽 줄기세포는 만성 뇌졸중 병변, 즉, 저산소 조건에서 중간엽 줄기세포보다 생존력 및 잔존성이 높아 오랫동안 치료효과를 나타내어 만성 뇌졸중 치료에 유용하게 사용할 수 있음을 확인하였다(도 4 참조).It was confirmed that mesenchymal stem cells into which Neurogenin 1 was introduced were more resistant to hypoxic conditions than mesenchymal stem cells, which means that mesenchymal stem cells into which Neurogenin 1 was introduced were effective in chronic stroke lesions, that is, mesenchymal stem cells under hypoxic conditions. It was confirmed that it has higher viability and survival than cells, showing long-term therapeutic effects, and can be useful in treating chronic stroke (see Figure 4).

또한, 혈관뇌장벽을 통과한 세포의 체내 저항성을 조사하기 위하여 먼저 만니톨의 주입 방법을 확립하였다. 혈관뇌장벽이 손상되지 않은 정상 동물 모델에서 만니톨의 주입방법을 조사한 결과, 내경동맥(ICA)으로 볼루스(bolus)로 주입하는 것이 꼬리정맥에 주입하거나, 천천히 주입하는 것보다 혈관뇌장벽의 개방 효과가 높았다(도 5a 및 도 5b 참조). 만니톨로 개방된 혈관뇌장벽은 1시간 정도 유지되다가 닫히기 시작하는데, 만성 뇌졸중 동물에서는 만니톨의 효과가 조금 더 오래 지속되었다(도 6b 및 도 6c 참조).Additionally, in order to investigate the in vivo resistance of cells that passed through the blood-brain barrier, a mannitol injection method was first established. As a result of investigating the injection method of mannitol in a normal animal model in which the blood-brain barrier is intact, bolus injection into the internal carotid artery (ICA) opens the blood-brain barrier more than injection into the tail vein or slow injection. The effect was high (see Figures 5A and 5B). The blood-brain barrier opened by mannitol lasts for about 1 hour and then begins to close, but in animals with chronic stroke, the effect of mannitol lasted a little longer (see Figures 6b and 6c).

만니톨을 이용하여 혈관뇌장벽을 개방시킨 후, SPIO 혹은 GFP로 표지된 세포를 뇌동맥투여하고, 만성 뇌졸중 병변 부위로의 세포의 이동성과 잔존성을 확인한 결과, 하루가 지난 후 시간이 경과할수록 만니톨과 뉴로제닌 1이 도입된 중간엽 줄기세포를 투여한 군에서 이식한 세포의 잔존성이 유의하게 높았다(도 7a 및 도 7b 참조). 또한, 만니톨을 주입한 경우, 투여한 줄기세포가 혈관 외로 유출(extravasation)되어 뇌실질(parenchyma)에 잔존한 것을 확인하였다(도 8a 및 도 8b). 이식 직후 초기(1 내지 4시간)에는 세포의 종류와 무관하게 만니톨을 주입한 경우가 주입하지 않은 경우보다 이식률이 높았다. 이식된 세포는 점차 소멸하는데, 후기(1일 내지 1주)에서는 뉴로제닌 1이 도입된 중간엽 줄기세포의 잔존성이 중간엽 줄기세포보다 높았다(도 7b, 도 8b 및 도 8c 참조). 이는 뉴로제닌 1이 저산소 조건에서 세포의 잔존성을 높인다는 것(도 4 참조)과 일치하는 결과이다.After opening the blood-brain barrier using mannitol, cells labeled with SPIO or GFP were injected into the cerebral artery, and the mobility and survival of cells in the chronic stroke lesion area were confirmed. As a result, after a day, as time passes, mannitol and In the group administered mesenchymal stem cells introduced with Neurogenin 1, the survival of transplanted cells was significantly higher (see Figures 7A and 7B). Additionally, when mannitol was injected, it was confirmed that the injected stem cells extravasated and remained in the brain parenchyma (FIGS. 8A and 8B). In the early stages (1 to 4 hours) immediately after transplantation, the transplantation rate was higher when mannitol was injected than when it was not injected, regardless of the type of cell. The transplanted cells gradually disappear, and in the later stage (1 day to 1 week), the survival of mesenchymal stem cells introduced with Neurogenin 1 was higher than that of mesenchymal stem cells (see FIGS. 7B, 8B, and 8C). This result is consistent with the fact that Neurogenin 1 increases cell survival under hypoxic conditions (see Figure 4).

또한, 만성 뇌졸중 동물 모델에서 만니톨 전처리 후 뉴로제닌 1이 도입된 중간엽 줄기세포를 투여한 경우, 신경학적 기능이 회복되는지 여부를 확인하기 위해 뇌손상에 따른 비대칭성(asymmetry)을 측정하는 코너 테스트(corner test), 원통형 장비 위에서 뛰는 시간을 측정하는 로타로드 테스트(rotarod test) 및 동물의 앞발 등에 테이프를 부착하고 테이프를 제거하는데 걸리는 시간을 측정하는 부착물 제거 테스트(adhesive removal test)를 수행하였다. 만니톨 전처리 후, 뉴로제닌 1이 도입된 중간엽 줄기세포를 투여한 군은 투여 8주까지 진행된 모든 테스트에서 신경 기능의 회복 정도가 가장 높았다. 이는 만니톨의 전처리와 함께 뉴로제닌 1이 도입된 중간엽 줄기세포의 뇌동맥 투여가 만성 뇌졸중에서 행동 기능의 회복을 촉진한다는 것을 의미한다 (도 9a 및 도 9b 내지 도 9c 참조).In addition, a corner test is used to measure asymmetry due to brain damage to determine whether neurological function is restored when mesenchymal stem cells introduced with neurogenin 1 are administered after mannitol pretreatment in a chronic stroke animal model. A corner test, a rotarod test that measures the running time on a cylindrical device, and an adhesive removal test that measures the time it takes to attach a tape to the animal's front paws and remove the tape were performed. After mannitol pretreatment, the group administered mesenchymal stem cells introduced with Neurogenin 1 showed the highest degree of recovery of neurological function in all tests conducted up to 8 weeks of administration. This means that cerebral artery administration of neurogenin 1-introduced mesenchymal stem cells together with pretreatment with mannitol promotes recovery of behavioral function in chronic stroke (see FIGS. 9A and 9B to 9C).

따라서, 본 발명의 약학적 조성물은 뇌졸중 후 수반되는 세포사멸에 의한 만성적인 신체장애를 극복할 수 있으므로 새로운 치료제로서 개발되거나, 뇌졸중을 비롯하여 파킨슨병, 알츠하이머병, 척수손상 등의 신경계 질환에 적용가능한 세포 대체 요법 및 유전자 치료 요법의 근간이 되는 등 임상 및 각종 연구를 위해 폭넓게 이용될 수 있다.Therefore, the pharmaceutical composition of the present invention can overcome chronic physical disability caused by cell death accompanying stroke, and can therefore be developed as a new treatment or applicable to neurological diseases such as stroke, Parkinson's disease, Alzheimer's disease, and spinal cord injury. It can be widely used for clinical and various research purposes, including as the basis for cell replacement therapy and gene therapy.

이하 본 발명을 제조예 및 실시예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through preparation examples and examples.

단, 하기 제조예 및 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 제조예 및 실시예에 의해서 한정되는 것은 아니다.However, the following preparation examples and examples are merely illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following preparation examples and examples.

<< 제조예Manufacturing example 1> 줄기세포의 분리 및 배양 1> Isolation and culture of stem cells

<1-1> 골수로부터 <1-1> From the bone marrow 중간엽mesenchyme 줄기세포( Stem Cells( MSCM.S.C. )의 분리) separation of

멸균된 15㎖ 시험관에 4㎖의 HISTOPAQUE 1077(Sigma사) 및 사단법인 한국골수은행협회(KMDP)로부터 제공받은 골수 4㎖를 조심스럽게 넣은 후, 원심분리기를 이용해서 실온에서 400g로 30분 동안 원심분리하였다. 원심분리 후 파스퇴르 피펫을 이용하여 중간의 혈액 연층(buffy coat) 0.5㎖를 조심스럽게 채취하여 멸균된 인산염 완충 용액(phosphate-buffered saline; PBS) 10㎖이 담긴 시험관에 옮겼다. 옮겨진 혈액 연층을 다시 250g에서 10분 동안 원심분리한 후 상층액을 버리고, 10㎖의 인산염 완충 용액을 첨가하여 부드럽게 현탁 시킨 후, 10분 동안 250g에서 원심분리 하였다.Carefully add 4 ml of HISTOPAQUE 1077 (Sigma) and 4 ml of bone marrow provided by the Korea Bone Marrow Banking Association (KMDP) into a sterilized 15 ml test tube, then centrifuge at 400 g for 30 minutes at room temperature using a centrifuge. separated. After centrifugation, 0.5 ml of the middle blood buffy coat was carefully collected using a Pasteur pipette and transferred to a test tube containing 10 ml of sterilized phosphate-buffered saline (PBS). The transferred blood layer was centrifuged again at 250 g for 10 minutes, the supernatant was discarded, 10 ml of phosphate buffer solution was added to gently suspend it, and then centrifuged at 250 g for 10 minutes.

상기 과정을 2회 반복실시한 후, 최종 침전물에 10% FBS(Gibco사)를 함유하는 DMEM 배지(Gibco사)를 첨가하여 100㎜ 동물세포 배양용기에 1×107 세포가 되도록 분주하였다. 상기 세포를 37℃ 인큐베이터에서 5% CO2 및 95% 공기를 공급하면서 4시간 동안 배양하였다. 배양용기의 바닥에 부착되지 않은 세포를 제거하기 위해 상층액을 제거하고, 새로운 배지를 첨가하여 배양기에서 배양하였다.After repeating the above process twice, DMEM medium (Gibco) containing 10% FBS (Gibco) was added to the final precipitate, and the cells were seeded in a 100 mm animal cell culture vessel at 1×10 7 cells. The cells were cultured in an incubator at 37°C for 4 hours while supplying 5% CO 2 and 95% air. To remove cells that did not adhere to the bottom of the culture vessel, the supernatant was removed, new medium was added, and the cells were cultured in an incubator.

<1-2> 분리한 <1-2> separated 중간엽mesenchyme 줄기세포의 배양 Culture of Stem Cells

상기 제조예 1-1에서 분리한 중간엽 줄기세포(이하, MSC)를 CO2 인큐베이터에서 37℃를 유지하면서 2일 간격으로 중간엽 줄기세포 배지(10% FBS + 10ng/㎖ bFGF(Sigma사) + 1% 페니실린/스트렙토마이신(Gibco사) + 89% DMEM)로 교체하면서 배양하였다. 세포가 배양용기 면적의 약 80% 정도의 밀도로 증식한 뒤에는 0.25% 트립신/0.1 mM EDTA(Gibco사)를 이용하여 배양용기에 부착한 세포를 부유시킨 후 배지를 첨가하여 1:20으로 희석한 다음 새로운 배지에서 계대 배양하였다.The mesenchymal stem cells (hereinafter referred to as MSCs) isolated in Preparation Example 1-1 were maintained at 37°C in a CO 2 incubator and incubated with mesenchymal stem cell medium (10% FBS + 10 ng/ml bFGF (Sigma)) at 2-day intervals. Culture was performed while replacing with + 1% penicillin/streptomycin (Gibco) + 89% DMEM). After the cells have proliferated to a density of about 80% of the area of the culture vessel, the cells attached to the culture vessel are suspended using 0.25% trypsin/0.1mM EDTA (Gibco) and then diluted 1:20 by adding medium. Next, subculture was carried out in new medium.

<< 제조예Manufacturing example 2> 2> 뉴로제닌Neurogenin 1이 도입된 1 was introduced 중간엽mesenchyme 줄기세포( Stem Cells( MSCM.S.C. // Ngn1Ngn1 )의 제조)Manufacture of

<2-1> <2-1> 뉴로제닌neurogenin 1( One( Ngn1Ngn1 ) 레트로바이러스 벡터 제작) Retroviral vector production

U63842의 유전자 서열 중 코딩영역(55~768bp)에 해당하는 서열을 pMSCV-puro 벡터(Clontech사)에 T4 DNA 리가아제(Roche사)를 이용하여 결합시킨 후, 대장균 DH5a에 형질도입시켜 최종적으로 pMSCV-puro 벡터에 인간 뉴로제닌 1(human neurogenin1; hNgn1) 유전자가 삽입된 pMSCV-puro/hNgn1 벡터를 제작하였다. 제작된 pMSCV-puro/hNgn1 벡터는 293T 세포에 칼슘 포스페이트 침전법으로 도입한 후 웨스턴 블롯팅을 통해 그 발현을 확인하였다.The sequence corresponding to the coding region (55 to 768 bp) of the gene sequence of U63842 was ligated to the pMSCV-puro vector (Clontech) using T4 DNA ligase (Roche), and then transduced into E. coli DH5a, ultimately producing pMSCV. The pMSCV-puro/hNgn1 vector was constructed in which the human neurogenin1 (hNgn1) gene was inserted into the -puro vector. The constructed pMSCV-puro/hNgn1 vector was introduced into 293T cells by calcium phosphate precipitation, and its expression was confirmed through Western blotting.

그 후, pMSCV-puro/hNgn1 벡터를 칼슘 포스페이트 침전법으로 레트로바이러스 포장(packaging) 세포인 PA317(ATCC CRL-9078) 또는 PG13(ATCC CRL-10686) 세포에 형질도입하였다. 이로부터 48시간 경과 후, 배양액만을 취하여 0.45㎛ 크기의 여과막으로 여과하여 뉴로제닌 1 레트로바이러스 용액을 수득하였다. 레트로바이러스 용액은 분주하여 -70℃에서 보관하여 사용하였다.Afterwards, the pMSCV-puro/hNgn1 vector was transduced into PA317 (ATCC CRL-9078) or PG13 (ATCC CRL-10686) cells, which are retrovirus packaging cells, by calcium phosphate precipitation. After 48 hours, only the culture medium was taken and filtered through a 0.45㎛ filtration membrane to obtain a Neurogenin 1 retrovirus solution. The retrovirus solution was aliquoted and stored at -70°C before use.

<2-2> <2-2> 뉴로제닌neurogenin 1( One( Ngn1Ngn1 ) 유전자가 도입된 ) the gene was introduced 중간엽mesenchyme 줄기세포의 제조 Manufacturing of Stem Cells

상기 제조예 1-2의 중간엽 줄기세포를 100mm 배양용기에 70% 정도 차도록 배양한 후, 상기 제조예 2-1에서 얻은 뉴로제닌 1 레트로바이러스 용액 4㎖에 폴리브렌(polybrene, Sigma사) 8㎍/㎖을 첨가한 용액과 10ng/㎖의 기본 섬유아세포 성장인자 (basic fibroblast growth factor, bFGF, 동아제약)를 첨가하여 8시간 동안 배양하였다.After culturing the mesenchymal stem cells of Preparation Example 1-2 in a 100 mm culture vessel to about 70% full, polybrene (polybrene, Sigma) 8 was added to 4 ml of the Neurogenin 1 retrovirus solution obtained in Preparation Example 2-1. ㎍/㎖ solution and 10 ng/㎖ basic fibroblast growth factor (bFGF, Dong-A Pharmaceutical) were added and cultured for 8 hours.

이어서 레트로바이러스 용액을 제거하고 10㎖의 중간엽 줄기세포 배지를 가하여 24시간 동안 배양한 후, 다시 레트로바이러스를 감염시켰다. 이 과정을 1-4회 반복한 후, 최종적으로 중간엽 줄기세포를 트립신으로 떼어내고 배지로 1:20으로 희석하여 계대 배양하였다. 계대 배양 시 퓨로마이신(puromycin, Sigma사)을 2㎍/㎖이 되도록 배지에 첨가하여 레트로바이러스가 감염된 세포만이 살아남을 수 있도록 2주간 선별하였다.Then, the retrovirus solution was removed, 10 ml of mesenchymal stem cell medium was added, and the cells were cultured for 24 hours, and then infected with the retrovirus again. After repeating this process 1-4 times, the mesenchymal stem cells were finally removed with trypsin, diluted 1:20 with medium, and subcultured. During subculture, puromycin (puromycin, Sigma) was added to the medium at a concentration of 2 ㎍/ml and selected for 2 weeks to ensure that only retrovirus-infected cells survived.

최종적으로 퓨로마이신에 저항성을 갖는 중간엽 줄기세포를 뉴로제닌 1을 발현하는 세포로 사용하였다. 제조된 뉴로제닌 1 유전자가 도입된 중간엽 줄기세포 (이하, MSC/Ngn1)는 DMEM(Dulbecco's modified Eagle's medium) 배지에 10% 소태아 혈청(fetal bovine serum (HyClone사, Logan, UT, USA))과 100 unit/㎖ 페니실린 및 100㎍/㎖ 스트렙토마이신(Gibco사, Grand Island, NY, USA)을 포함하는 성장 배지에서 5 내지 7일간 이식하였다.Finally, mesenchymal stem cells resistant to puromycin were used as cells expressing Neurogenin 1. The prepared mesenchymal stem cells (hereinafter referred to as MSC/Ngn1) into which the Neurogenin 1 gene was introduced were cultured in DMEM (Dulbecco's modified Eagle's medium) medium with 10% fetal bovine serum (HyClone, Logan, UT, USA). and were transplanted for 5 to 7 days in growth medium containing 100 unit/ml penicillin and 100 μg/ml streptomycin (Gibco, Grand Island, NY, USA).

<< 실시예Example 1> 만성 뇌졸중 모델에 대한 이식률 평가 1> Evaluation of transplantation rate for chronic stroke model

<1-1> <1-1> GFPGFP 발현 표식 manifestation marker

MSC 및 MSC/Ngn1의 생체 내 이식률 및 신경세포로의 분화를 이식된 세포들을 추적하기 위하여 GFP-발현 렌티바이러스(GFP-expressing lentivirus)로 형질전환하였다.To track the in vivo transplantation rate and differentiation into neurons of MSC and MSC/Ngn1, transplanted cells were transfected with GFP-expressing lentivirus.

구체적으로, 상기 제조예 1-2의 MSC 및 상기 제조예 2-2의 MSC/Ngn1을 8㎍/㎖의 폴리브렌에서 GFP-발현 렌티바이러스(GFP-expressing lentivirus)에 7시간 동안 형질전환시켜 GFP를 발현하는 MSC-GFP 및 MSC/Ngn-GFP를 수득하였다. 10,000개의 MSC-GFP 및 MSC/Ngn1-GFP를 12-웰 플레이트에서 하루 동안 배양하였다. 해부형광현미경(Olympus사)을 이용하여 전체 세포 수를 파악하고, GFP를 발현하는 세포 수를 측정하였다. MSC-GFP, MSC/Ngn1-GFP 세포 모두 95% 이상의 GFP 발현율을 보였다.Specifically, the MSC of Preparation Example 1-2 and the MSC/Ngn1 of Preparation Example 2-2 were transfected with GFP-expressing lentivirus in 8 μg/ml polybrene for 7 hours to produce GFP. MSC-GFP and MSC/Ngn-GFP expressing were obtained. 10,000 MSC-GFP and MSC/Ngn1-GFP were cultured in 12-well plates for one day. The total number of cells was determined using a dissecting fluorescence microscope (Olympus), and the number of cells expressing GFP was measured. Both MSC-GFP and MSC/Ngn1-GFP cells showed a GFP expression rate of over 95%.

<1-2> <1-2> SPIOSPIO 표식 mark

MRI를 통한 MSC 및 MSC/Ngn1의 확인을 위하여 MSC 및 MSC/Ngn1를 초 자성 철 산화물(superparamagnetic iron oxide (SPIO)) 나노입자로 표식하였다.To confirm MSC and MSC/Ngn1 through MRI, MSC and MSC/Ngn1 were labeled with superparamagnetic iron oxide (SPIO) nanoparticles.

구체적으로, 상기 실시예 1-1에서 수득한 MSC-GFP 및 MSC/Ngn1-GFP를 50㎍/㎖ 농도의 SPIO 용액을 세포 배양액과 함께 처리하여 하루 동안 배양 후, 잉여 SPIO 나노입자들을 제거하기 위해 3회 세척하였다.Specifically, MSC-GFP and MSC/Ngn1-GFP obtained in Example 1-1 were treated with a SPIO solution at a concentration of 50 μg/ml with cell culture medium and cultured for one day to remove excess SPIO nanoparticles. Washed 3 times.

이식 전 효능을 측정하기 위해 상기 세포를 4% 파라 포름알데히드로 고정하고, 철분(Fe3 +)의 염색을 위해 프러시안 블루 (Prussian blue (PB)) 염색을 3.7% 염산에서 포타슘 헥사시아노페레이트 (II) 삼 수화물 (Potassium hexacyanoferrate(trihydrate)로 수행하였다. 30분 뒤에 세포를 세척하고 SPIO는 푸른색으로 염색되었다.To measure efficacy before transplantation, the cells were fixed with 4% paraformaldehyde, and for iron (Fe 3+ ) staining, Prussian blue (PB) staining was performed using potassium hexacyanophe in 3.7% hydrochloric acid. This was performed with Potassium hexacyanoferrate (trihydrate). After 30 minutes, cells were washed and SPIO was stained blue.

<1-3> 만성 허혈성 뇌졸중 모델의 제조 및 평가<1-3> Preparation and evaluation of chronic ischemic stroke model

만성 허혈성 뇌졸중 모델을 제작하기 위하여 동물성 중 뇌동맥 폐색/재관류 (middle cerebral artery occlusion/reperfusion, MCAO) 모델을 경골 내 혈관 폐색 방법을 사용하여 수행되었다.To create a chronic ischemic stroke model, an animal middle cerebral artery occlusion/reperfusion (MCAO) model was performed using the intratibial vessel occlusion method.

구체적으로, 240g 내지 320g 무게의 성체 수컷 스프래그 돌리 랫트(Sprague-Dawley rat)를 70% N2O 및 30% O2가 포함된 3% 이소플루란(isofluran) 마취가스로 마취하였고 2% 이소플루란이 유지되었다. 이후, 목 근육을 절제하여 우측 총경동맥(right common carotid artery; CCA), 우측 내경동맥(right internal carotid artery; ICA) 및 우측 외경동맥 (right external carotid artery; ECA)을 노출시키고, 외경동맥 (ECA)을 절단하였다. 둥글게 코팅된 팁을 가진 4-0 나일론 봉합사(nylon suture, Filament size 4-0, diameter 0.19 mm, length 30mm; diameter with coating 0.35 +/- 0.02 mm, and coating length 5-6 mm, LMS Korea사)를 ECA에 삽입하고 ICA로 부드럽게 밀어넣어 결찰 시켰다. 결찰 120분 후에 나일론 봉합사를 제거하였고, 동물은 다시 마취되었다가 다시 재배출(re-perfused)되었다(MCAO). 수술이 진행되는 동안 쥐의 체온을 37℃로 일정하게 유지하였고, 모든 수술 도구는 멸균하여 사용하였다.Specifically, adult male Sprague-Dawley rats weighing 240 g to 320 g were anesthetized with 3% isoflurane anesthetic gas containing 70% N 2 O and 30% O 2 and 2% isoflurane. Flurane was maintained. Afterwards, the neck muscles were excised to expose the right common carotid artery (CCA), right internal carotid artery (ICA), and right external carotid artery (ECA), and the external carotid artery (ECA) was exposed. ) was cut. 4-0 nylon suture with round coated tip (nylon suture, filament size 4-0, diameter 0.19 mm, length 30mm; diameter with coating 0.35 +/- 0.02 mm, and coating length 5-6 mm, LMS Korea) was inserted into the ECA and ligated by gently pushing it into the ICA. 120 minutes after ligation, the nylon sutures were removed, and the animals were anesthetized again and re-perfused (MCAO). During the surgery, the body temperature of the mouse was kept constant at 37°C, and all surgical tools were sterilized.

제작된 동물 모델은 MCAO 후 3일 차에 뇌 MRI 스캔 및 신경 중증도 테스트 (Neuro Severity Score TEST, NSS 테스트)를 통해 만성 허혈성 뇌졸중을 확인하였다(도 7a).The created animal model was confirmed to have chronic ischemic stroke through brain MRI scan and Neuro Severity Score TEST (NSS test) on the 3rd day after MCAO (FIG. 7a).

<1-4> 만성 뇌졸중 모델에서 동맥투여시 초기 이식률 확인<1-4> Confirmation of initial transplantation rate upon arterial administration in chronic stroke model

MSC 및 MSC/Ngn1 세포를 투여하여, 만성 뇌졸중 병변 부위로의 이동성과 잔존성을 하기와 같이 확인하였다.MSC and MSC/Ngn1 cells were administered, and their mobility and survival in the chronic stroke lesion area were confirmed as follows.

상기 실시예 1-3에서 제조한 만성 뇌졸중 랫트 모델을 사용하여 뇌졸중 유도 후 급성기(3일차)에 뇌경색 비율이 50% 이상인 모델을 선정하였으며, 한 달이 지난 시점(4주차)에 SPIO로 표지된 1×106개의 MSC 및 MSC/Ngn1 세포를 내경동맥(ICA)으로 500㎕ 생리식염수에 현탁하여 2분 이상 주입하였다.Using the chronic stroke rat model prepared in Example 1-3 above, a model with a cerebral infarction rate of more than 50% in the acute phase (3rd day) after stroke induction was selected, and one month later (4th week), SPIO-labeled 1 × 10 6 MSC and MSC/Ngn1 cells were suspended in 500 μl saline solution and injected into the internal carotid artery (ICA) for more than 2 minutes.

MRI 상으로 추적 및 관찰이 가능하도록 이식 전 50㎍/㎖ 용량의 SPIO(supra paramagnetic iron oxide nanoparticles, Sigma Aldrich사)를 줄기세포 DMEM 배지[10% FBS(Gibco사) + 10ng/㎖ bFGF(Sigma Aldrich사) + 1% 페니실린/스트렙토마이신(Gibco사) + 89% DMEM(Gibco사)]에 첨가하여 16시간 동안 배양하여 표지하였다. SPIO 표지는 프러시안 블루 (Prussian blue (PB)) 염색을 통해 확인하였다(도 1a 참조). 이식 초기(4시간, 24시간)에는 MSC와 MSC/Ngn1 세포군 사이에서 뇌에 분포하는 세포 수는 유의한 차이가 없는 것을 확인하였다(도 1b 및 도 1c 참조).To enable tracking and observation on MRI, SPIO (supra paramagnetic iron oxide nanoparticles, Sigma Aldrich) at a dose of 50㎍/㎖ was added to stem cell DMEM medium [10% FBS (Gibco) + 10ng/㎖ bFGF (Sigma Aldrich) before transplantation. G) + 1% penicillin/streptomycin (Gibco) + 89% DMEM (Gibco)] and cultured for 16 hours for labeling. SPIO labeling was confirmed through Prussian blue (PB) staining (see Figure 1a). It was confirmed that there was no significant difference in the number of cells distributed in the brain between the MSC and MSC/Ngn1 cell groups in the early stages of transplantation (4 hours and 24 hours) (see Figures 1b and 1c).

<< 실시예Example 2> 뇌혈관 내피세포에서 만니톨 투여에 따른 밀착 연접의 투과도 증가 확인 2> Increased permeability of tight junctions in cerebrovascular endothelial cells following mannitol administration

<2-1> 혈관내피세포 투과 저항성 및 형광 덱스트란이 투과된 용량 측정<2-1> Measurement of vascular endothelial cell penetration resistance and fluorescent dextran penetration capacity

만니톨 투여에 따른 혈관뇌장벽(BBB)의 투과성 변화를 확인하기 위하여, 혈관뇌장벽의 기능성 및 이식된 FITC-덱스트란(150kda)의 형광을 평가하기 위해 일반적으로 사용되는 혈관내피세포 투과 저항성(trans-endothelial electrical resistance (TEER))으로 측정하였다.In order to confirm changes in blood brain barrier (BBB) permeability following mannitol administration, vascular endothelial cell permeability resistance (trans) is commonly used to evaluate blood brain barrier functionality and fluorescence of implanted FITC-dextran (150 kda). -endothelial electrical resistance (TEER)) was measured.

구체적으로, 마우스 뇌혈관 내피 세포주인 bEnd.3 세포(CRL-2299, ATCC, Manassas VA, USA)를 10% FBS(Hyclone사)와 1% 페니실린/스트렙토마이신(Gibco사)이 첨가된 high glucose DMEM 배지(Gibco사)에 가하여 2일 간격으로 배지를 교체하면서 세포를 배양하였다. 8㎛ 공극을 가진 트랜스웰 인서트에 bEnd.3 세포를 50,000개씩 분주하여 5일간 배양한 후 생리 식염수에 현탁한 300mM 농도의 만니톨(Sigma Aldrich사)을 6시간 동안 처리하였다. 혈관내피세포 투과 저항성(Transendothelial electrical resistance; TEER)을 Millicell ERS-2 voltohmmeter(Merck Millipore사)를 이용하여 측정하였고, 150 kda 형광 덱스트란(FITC-dextran, Sigma Aldrich사)을 투과시켜 챔버에 투과된 용량을 확인하였다.Specifically, bEnd.3 cells (CRL-2299, ATCC, Manassas VA, USA), a mouse cerebrovascular endothelial cell line, were cultured in high glucose DMEM supplemented with 10% FBS (Hyclone) and 1% penicillin/streptomycin (Gibco). Cells were cultured by adding medium (Gibco) and changing the medium every two days. 50,000 bEnd.3 cells were seeded on transwell inserts with 8㎛ pores, cultured for 5 days, and then treated with 300mM mannitol (Sigma Aldrich) suspended in physiological saline for 6 hours. Transendothelial electrical resistance (TEER) was measured using a Millicell ERS-2 voltohmmeter (Merck Millipore), and 150 kda fluorescent dextran (FITC-dextran, Sigma Aldrich) was transmitted into the chamber. The capacity was confirmed.

그 결과, 도 2a 및 도 2b에 나타난 바와 같이, bEnd.3 세포를 배양한 후 5일 째에 밀착 연접(tight junction)이 생성되어 혈관내피세포 투과 저항성은 증가하고 형광 덱스트란의 투과된 용량은 감소하였으나, 만니톨을 처리한 후 6시간까지 뇌혈관 내피세포 밀착 연접의 투과성이 증가하였다.As a result, as shown in Figures 2a and 2b, tight junctions were created 5 days after culturing bEnd.3 cells, vascular endothelial cell penetration resistance increased, and the permeated capacity of fluorescent dextran increased. However, the permeability of cerebrovascular endothelial cell tight junctions increased until 6 hours after treatment with mannitol.

<2-2> 밀착 연접의 생성과 감소 측정<2-2> Measurement of creation and reduction of tight junctions

밀착 연접의 생성과 감소는 대표적인 마커인 ZO-1과 claudin-5를 이용하여 면역세포화학법(immunocytochemistry; ICC)으로 분석하였다.The formation and reduction of tight junctions was analyzed by immunocytochemistry (ICC) using representative markers ZO-1 and claudin-5.

구체적으로, 항-ZO-1(1:500, Thermo Fisher Scientific사) 및 항-claudin-5(1:500, Thermo Fisher Scientific사)의 1차 항체 및 이후의 2차 항-토끼 488 또는 마우스-항체 568(1:250, Life Technologies사)를 이용하였으며, 핵은 Hoechst(1:2,000, Thermo Fisher Scientific사)로 검출되었다. 사진은 공초점 형광현미경(LSM 710, Zeiss사)을 사용하여 획득하였으며, 5일간 배양한 bEnd.3 세포에 3시간 및 6시간 동안 만니톨을 처리한 후 밀착 연접 단백질의 발현을 웨스턴 블랏팅(western blotting)으로 분석하였다. 세포의 단백질 샘플을 6%, 10% SDS-PAGE로 분리하고 PVDF 멤브레인으로 옮겼다. 그 후, 항-ZO-1(1:500, Thermo Fisher Scientific사) 및 항-claudin-5(1:500, Thermo Fisher Scientific사) 1차 항체 및 이후의 HRP(horseradish peroxidase) 2차 항토끼 또는 마우스 항체(1:10,000, Invitrogen사)를 사용하여 밴드를 검출하였고 Actin(1:10,000, Merck Millipore사)을 하우스 키핑 유전자로 사용하였다. 밴드의 이미지는 ChemiDoc 이미징 시스템 (Bio-Rad사)을 사용하여 획득하였고, 밴드의 강도 측정은 Image J 프로그램을 사용하였다. Specifically, primary antibodies of anti-ZO-1 (1:500, Thermo Fisher Scientific) and anti-claudin-5 (1:500, Thermo Fisher Scientific) and subsequent secondary anti-rabbit 488 or mouse- Antibody 568 (1:250, Life Technologies) was used, and nuclei were detected with Hoechst (1:2,000, Thermo Fisher Scientific). Pictures were acquired using a confocal fluorescence microscope (LSM 710, Zeiss), and bEnd.3 cells cultured for 5 days were treated with mannitol for 3 and 6 hours, and the expression of tight junction proteins was measured by Western blotting (western blotting). was analyzed by blotting). Protein samples from cells were separated by 6% and 10% SDS-PAGE and transferred to PVDF membranes. Afterwards, anti-ZO-1 (1:500, Thermo Fisher Scientific) and anti-claudin-5 (1:500, Thermo Fisher Scientific) primary antibodies followed by HRP (horseradish peroxidase) secondary anti-rabbit or The band was detected using a mouse antibody (1:10,000, Invitrogen), and Actin (1:10,000, Merck Millipore) was used as a housekeeping gene. The image of the band was acquired using the ChemiDoc imaging system (Bio-Rad), and the intensity of the band was measured using the Image J program.

그 결과, 도 1c에 나타난 바와 같이, 만니톨 비투여군에 비하여 만니톨 투여 시 염색된 ZO-1 (tight junction protein 1) 및 Claudin-5 (components of tight junction strands)가 옅어진 것을 통해 세포간의 결합력이 낮아진 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 도 1d 내지 도 1f에 나타난 바와 같이, 밀착 연접의 마커인 ZO-1, Claudin-5 의 발현 수준이 시간이 지남에 따라 점차 감소되는 것을 확인할 수 있었다. As a result, as shown in Figure 1c, when mannitol was administered compared to the mannitol non-administered group, the stained ZO-1 (tight junction protein 1) and Claudin-5 (components of tight junction strands) became lighter, showing that the binding force between cells was lowered. I was able to confirm that. Additionally, as shown in Figures 1D to 1F, it was confirmed that the expression levels of ZO-1 and Claudin-5, markers of tight junctions, gradually decreased over time.

상기 결과는 만니톨의 투여에 따라 접합 단백질의 발현 감소 및 세포간 접합이 감소된다는 것을 제시한다.The above results suggest that administration of mannitol decreases the expression of adapter proteins and reduces intercellular junctions.

<< 실시예Example 3> 시험관 내 세포 이동 분석 3> In vitro cell migration assay

MSC와 MSC/Ngn1 세포가 만니톨 처리에 의해 투과도가 증가한 혈관내피세포 밀착 연접을 통과하여 만성 뇌졸중 환경으로 이동하는 것을 in vitro 상으로 확인하기 위하여 시험관 내 이동분석을 수행하였다.An in vitro migration analysis was performed to confirm in vitro that MSC and MSC/Ngn1 cells migrate to the chronic stroke environment through vascular endothelial cell tight junctions whose permeability was increased by mannitol treatment.

구체적으로, 도 2a의 트랜스웰 인서트에 웰 당 5×104개의 bEnd.3 세포를 분주하여 5일간 배양하였다. 아래쪽 챔버에 추가할 뇌조직 샘플을 마련하기 위해 만성 뇌졸중 대뇌의 반구(뇌졸중 유도 한 달 후 ipsilateral hemisphere)를 3㎖ 인산염 완충 용액(phosphate-buffered saline; PBS)에 균질화하여 12000 rpm에서 5분 동안 조직을 원심 분리하였고, 상층액을 수확한 후 BCA Protein Assay(ThermoFisherScientific사)를 이용하여 샘플의 단백질을 정량하였다. 밀착 연접을 형성한 bEnd.3 세포에 300mM 농도의 만니톨을 3시간 및 6시간 동안 처리하여 제거한 후, 아래쪽 챔버에 만성 뇌졸중 조직 반구 샘플 추출 100㎍ 단백질을 포함하는 500㎕의 DMEM 배지(1% 페니실린/스트렙토마이신(Gibco사))을 넣고, insert에는 10,000개의 MSC-GFP 또는 MSC/Ngn1-GFP 세포를 100㎕ 줄기세포 DMEM 배지[10% FBS(Gibco사)+10ng/㎖ bFGF(Sigma Aldrich사) + 1% 페니실린/스트렙토마이신(Gibco사) + 89% DMEM(Gibco사)]에 현탁 하여 24시간 동안 5% CO2 배양기에서 37℃를 유지하며 배양하였다. 다음으로, bEnd.3 세포층을 통과하여 인서트 바닥면으로 이동한 GFP를 발현하는 세포를 형광현미경(Olympus사)으로 관찰하고 세포 수를 계수하였다.Specifically, 5 × 10 4 bEnd.3 cells per well were dispensed into the transwell insert of Figure 2a and cultured for 5 days. To prepare a brain tissue sample to be added to the lower chamber, the hemisphere of the chronic stroke cerebrum (ipsilateral hemisphere one month after stroke induction) was homogenized in 3 ml phosphate-buffered saline (PBS) and incubated at 12000 rpm for 5 minutes. was centrifuged, the supernatant was harvested, and the protein in the sample was quantified using BCA Protein Assay (ThermoFisherScientific). After removing the bEnd.3 cells that formed tight junctions by treating them with 300mM concentration of mannitol for 3 and 6 hours, 500㎕ of DMEM medium (1% penicillin) containing 100㎍ protein of chronic stroke tissue hemisphere sample extraction was added to the lower chamber. /Streptomycin (Gibco) was added, and 10,000 MSC-GFP or MSC/Ngn1-GFP cells were added to the insert in 100 ㎕ stem cell DMEM medium [10% FBS (Gibco) + 10 ng/ml bFGF (Sigma Aldrich). + 1% penicillin/streptomycin (Gibco) + 89% DMEM (Gibco)] and cultured in a 5% CO 2 incubator at 37°C for 24 hours. Next, cells expressing GFP that had passed through the bEnd.3 cell layer and moved to the bottom of the insert were observed under a fluorescence microscope (Olympus) and the number of cells was counted.

그 결과, 도 3b에 나타난 바와 같이, 만니톨 처리 후 bEnd.3 세포층을 통과해 인서트 바닥면으로 이동한 MSC 및 MSC/Ngn1 세포 수에 유의한 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다. 이는 만니톨 처리 후 밀착연접에 대한 개방 효과는 동등한 것을 의미한다. 다만, 만니톨을 처리한 경우 MSC 및 MSC/Ngn1 혈관내피세포의 벽 통과 이동(transwell migration)이 급격하게 증가함을 확인할 수 있었다. As a result, as shown in Figure 3b, it was confirmed that there was no significant difference in the number of MSC and MSC/Ngn1 cells that passed through the bEnd.3 cell layer and migrated to the bottom surface of the insert after mannitol treatment. This means that the opening effect on tight junctions after mannitol treatment is equivalent. However, when treated with mannitol, it was confirmed that transwell migration of MSC and MSC/Ngn1 vascular endothelial cells rapidly increased.

<< 실시예Example 4> 저산소 조건에서의 저항성 확인 4> Confirmation of resistance under hypoxic conditions

허혈성 뇌 조직에서 MSC와 MSC/Ngn1 세포의 저항성을 in vitro 상으로 비교하기 위하여, MSC 및 MSC/Ngn1 세포를 24시간 동안 저산소 배양 조건에 노출하는 실험을 하기와 같이 수행하였다.To compare the resistance of MSC and MSC/Ngn1 cells in ischemic brain tissue in vitro, an experiment was performed in which MSC and MSC/Ngn1 cells were exposed to hypoxic culture conditions for 24 hours as follows.

구체적으로, 혈청 제거 조건 및 저산소 조건에서 세포를 배양하였다. MSC 및 MSC/Ngn1 세포는 혈청 제거 DMEM 배지[1% 페니실린/스트렙토마이신(Gibco사) + 99% DMEM(Gibco사)]를 이용하여 37℃ 5% CO2 배양기에서 배양하거나, 저산소 챔버(hypoxia chamber, 2% O2 + 5% CO2 + 93% N2)에 넣고 37℃ 배양기에서 배양하였다.Specifically, cells were cultured under serum-free and hypoxic conditions. MSC and MSC/Ngn1 cells were cultured in a 5% CO 2 incubator at 37°C using serum-free DMEM medium [1% penicillin/streptomycin (Gibco) + 99% DMEM (Gibco)], or cultured in a hypoxia chamber. , 2% O 2 + 5% CO 2 + 93% N 2 ) and cultured in an incubator at 37°C.

그 결과, 도 4에 나타난 바와 같이, MSC 세포는 혈청결핍 조건(20% 산소, 혈청 결핍 (serum deprivation)) 및 저산소, 혈청결핍 조건 (2% 산소, 혈청 결핍 (serum deprivation))에서 감소하였다. 그러나 MSC/Ngn1 세포는 혈청결핍(serum deprivation)인 조건 및 저산소 혈청결핍조건에서도 내성을 보임을 확인하였다 (n=5; One-way ANOVA, ***p <0.001).As a result, as shown in Figure 4, MSC cells decreased under serum deprivation conditions (20% oxygen, serum deprivation) and hypoxic, serum deprivation conditions (2% oxygen, serum deprivation). However, it was confirmed that MSC/Ngn1 cells showed resistance even under serum deprivation and hypoxic serum deprivation conditions (n=5; One-way ANOVA, ***p <0.001).

상기 결과는 MSC/Ngn1 세포가 MSC 세포보다 저항성을 가지며 오랫동안 치료효과를 나타내어, 뇌졸중 등의 뇌질환 치료에 유용하게 사용할 수 있음을 제시한다.The above results suggest that MSC/Ngn1 cells are more resistant than MSC cells and exhibit long-term therapeutic effects, making them useful for treating brain diseases such as stroke.

<< 실시예Example 5> 만니톨의 5> Mannitol 혈관뇌장벽blood brain barrier (BBB) 투과성 증가 효과 확인(BBB) Confirmation of increased permeability effect

만니톨의 주입 경로와 주입 속도를 선정하여 정상 모델 및 만성 뇌졸중 모델에서 만니톨의 혈관뇌장벽 투과 효과가 이루어지는지를 확인하였다.The injection route and injection speed of mannitol were selected to determine whether the blood-brain barrier penetration effect of mannitol was achieved in normal and chronic stroke models.

구체적으로, 정상 동물에서 25% 농도의 만니톨을 5㎖/㎏ 양으로 꼬리정맥(intravenous; IV) 또는 내경동맥(intra-arterial; IA)으로 주입하고, 곧바로 4 ㎎/㎏ 용량의 에반스 블루 염료를 꼬리정맥, 내경동맥으로 주사한 직후에 심장을 0.9% 생리 식염수로 관류세척한 후 10% 포르말린(formalin) 용액으로 고정하고 뇌를 적출하여 해부현미경(Zeiss)을 이용하여 사진을 촬영하였다.Specifically, in normal animals, 25% concentration of mannitol was injected into the tail vein (IV) or internal carotid artery (IA) at an amount of 5 ㎖/kg, and then Evans blue dye at a dose of 4 mg/kg was immediately administered. Immediately after injection into the tail vein and internal carotid artery, the heart was perfused with 0.9% saline solution, fixed with 10% formalin solution, and the brain was removed and photographed using a dissecting microscope (Zeiss).

또한, 내경동맥 투여시에는 만니톨 주입 속도를 비교하기 위하여 25% 만니톨을 5㎖/㎏ 용량으로 1.6㎖/15초의 속도로 볼루스(bolus) 주입하거나 1.6㎖/분의 속도로 주입한 후 에반스 블루 염료의 투과도를 측정하였다. In addition, when administering to the internal carotid artery, in order to compare the mannitol infusion rate, 25% mannitol was injected as a bolus at a rate of 1.6 ml/15 seconds at a dose of 5 ml/kg, or injected at a rate of 1.6 ml/min and then injected with Evans Blue. The permeability of the dye was measured.

그 결과, 도 5a에 나타난 바와 같이, 만니톨이 꼬리 정맥으로 투여된 경우 혈관뇌장벽이 열리지 않아 염색이 되지 않는 반면, 만니톨이 동맥 투여된 경우 만니톨 투여 후 에반스 블루 염색이 되는 것을 확인할 수 있었다.As a result, as shown in Figure 5a, when mannitol was administered through the tail vein, staining did not occur because the blood-brain barrier was not opened, whereas when mannitol was administered arterially, it was confirmed that Evans blue staining occurred after mannitol administration.

또한, 도 5b에 나타난 바와 같이, 만니톨에 의한 혈관뇌장벽 투과성 증가 효과는 볼루스 주입시 효과적임을 확인하였다(도 5b).In addition, as shown in Figure 5b, it was confirmed that the effect of increasing blood brain barrier permeability by mannitol was effective upon bolus injection (Figure 5b).

<< 실시예Example 6> 만성 뇌졸중 모델에서 만니톨에 의한 6> Mannitol-induced in chronic stroke model 혈관뇌장벽blood brain barrier (BBB) 투과도 증가 효과 확인(BBB) Confirmation of increased permeability effect

만성 뇌졸중 동물 모델에서 만니톨에 의한 혈관뇌장벽의 투과도 증가 효과를 하기의 실험을 수행하여 확인하였다.The effect of increasing the permeability of the blood-brain barrier by mannitol in a chronic stroke animal model was confirmed by performing the following experiment.

구체적으로, 뇌졸중 유도 후 1개월이 지난 만성 뇌졸중 동물 모델과 정상 동물의 내경동맥으로 25% 만니톨을 5㎖/㎏ 용량으로 1.6㎖/15초의 속도로 볼루스(bolus) 주입하고 5분, 30분, 1시간, 2시간 후에 4㎎/㎏ 용량의 에반스 블루 염료(Evans blue dye)를 같은 경로로 투여하였다. 에반스 블루 염료 투여 직후에 심장을 0.9% 생리 식염수로 관류세척한 후 10% 포르말린(formalin) 용액으로 고정하였다. 그 후, 뇌를 적출하여 해부현미경(Zeiss사)을 이용하여 사진을 촬영하였다(도 6a).Specifically, 25% mannitol was injected bolus at a dose of 5 mL/kg at a rate of 1.6 mL/15 seconds into the internal carotid artery of a chronic stroke animal model and normal animals 1 month after stroke induction, and administered for 5 and 30 minutes. , 1 hour and 2 hours later, a dose of 4 mg/kg of Evans blue dye was administered through the same route. Immediately after administration of Evans blue dye, the heart was perfused with 0.9% saline solution and fixed with 10% formalin solution. Afterwards, the brain was removed and photographs were taken using a dissecting microscope (Zeiss) (Figure 6a).

상기 실시예 1-3에서 제조한 허혈성 뇌졸중 마우스 모델의 뇌졸중 유도 후 1개월이 지난 시점에 만성 뇌졸중 동물 모델의 내경동맥(internal carotid artery; ICA)으로 25%, 5㎖/㎏ 용량의 만니톨을 1.6㎖/15초의 속도로 볼루스(bolus) 주입하고 5분, 30분, 1시간, 2시간 후에 4㎎/㎏ 용량의 에반스 블루 염료(Evans blue dye)를 같은 경로로 투여하였다.One month after the stroke induction of the ischemic stroke mouse model prepared in Example 1-3 above, 25%, 5 mL/kg of mannitol was administered at a dose of 1.6 to the internal carotid artery (ICA) of the chronic stroke animal model. A bolus was injected at a rate of ㎖/15 seconds, and after 5 minutes, 30 minutes, 1 hour, and 2 hours, a dose of 4 mg/kg of Evans blue dye was administered through the same route.

그 결과, 도 6b에 나타난 바와 같이, 대조군의 경우 만니톨 주입 후 5분 지점을 최고점으로 하여 1시간이 지난 후에는 염색이 없어지는 것을 통해 혈관뇌장벽이 열렸다가 복구된다는 점을 확인할 수 있었다. 이를 통해 만니톨이 혈관뇌장벽 투과도를 증진시켜 주입된 에반스 블루 염료가 뇌 조직으로 유출되었으며, 혈관뇌장벽이 복원되는 것으로 미루어 만니톨이 혈관내피세포에는 독성을 나타내지 않음을 확인할 수 있었다.As a result, as shown in Figure 6b, in the control group, the staining peaked at 5 minutes after mannitol injection and disappeared 1 hour later, confirming that the blood-brain barrier was opened and restored. Through this, it was confirmed that mannitol improved blood-brain barrier permeability, allowing the injected Evans blue dye to leak into brain tissue, and that the blood-brain barrier was restored, confirming that mannitol is not toxic to vascular endothelial cells.

또한, 도 6c에 나타난 바와 같이, 만성 뇌졸중 동물 모델에서 만니톨에 의한 혈관뇌장벽의 투과도는 1시간 넘게 지속되었다. 상기 결과는 정상 대조군보다 허혈성 모델의 손상된 뇌에서는 만니톨 투여에 의한 혈관뇌장벽 투과성 증가 효과가 높음을 의미한다.Additionally, as shown in Figure 6c, the permeability of the blood-brain barrier by mannitol lasted for more than 1 hour in the chronic stroke animal model. The above results mean that the effect of increasing blood-brain barrier permeability by mannitol administration is higher in the damaged brain of the ischemic model than in the normal control group.

<< 실시예Example 7> 동맥투여 및 만니톨을 통한 줄기세포의 7> Stem cells through arterial administration and mannitol 혈관뇌장벽blood brain barrier 통과의 증가 확인 Check the increase in passing

만니톨을 이용하여 혈관뇌장벽을 개방시킨 후 MSC 및 MSC/Ngn1 세포를 투여하여, 만성 뇌졸중 병변 부위로의 이동성과 잔존성을 하기와 같이 확인하였다. After opening the blood-brain barrier using mannitol, MSC and MSC/Ngn1 cells were administered, and their mobility and survival in the chronic stroke lesion area were confirmed as follows.

구체적으로, MSC 및 MSC/Ngn1 세포는 MRI 상으로 추적 및 관찰이 가능하도록 이식 전 상기 실시예 1-2와 동일한 방법 및 조건으로 50㎍/㎖ 용량의 SPIO(supra paramagnetic iron oxide nanoparticles, Sigma Aldrich사)를 줄기세포 DMEM 배지[10% FBS(Gibco사) + 10ng/㎖ bFGF(Sigma Aldrich사) + 1% 페니실린/스트렙토마이신(Gibco사) + 89% DMEM(Gibco사)]에 첨가하고 16시간 동안 배양하여 표지하였다. SPIO 표지는 Prussian blue 염색을 통해 확인하였다. 세포를 4% 글루타알데하이드(glutaraldehyde)로 10분 동안 고정한 후 인산염 완충 용액으로 5분씩 3번 세척하고 염색 용액[2% potassium ferrocyanide(Sigma Aldrich사) + 3.7% 염산]을 30분 동안 처리한 후 인산염 완충 용액으로 5분 동안 세척하였다. 해부현미경(Zeiss사)으로 사진 촬영하였다.Specifically, MSC and MSC/Ngn1 cells were treated with SPIO (supra paramagnetic iron oxide nanoparticles, Sigma Aldrich) at a dose of 50 μg/ml using the same method and conditions as in Example 1-2 before transplantation to enable tracking and observation on MRI. ) was added to stem cell DMEM medium [10% FBS (Gibco) + 10 ng/ml bFGF (Sigma Aldrich) + 1% penicillin/streptomycin (Gibco) + 89% DMEM (Gibco)] and incubated for 16 hours. It was cultured and labeled. SPIO labeling was confirmed through Prussian blue staining. Cells were fixed with 4% glutaraldehyde for 10 minutes, washed three times with phosphate buffer solution for 5 minutes each, and treated with staining solution [2% potassium ferrocyanide (Sigma Aldrich) + 3.7% hydrochloric acid] for 30 minutes. Washed with phosphate buffer solution for 5 minutes. Photographs were taken using a dissecting microscope (Zeiss).

또한, 실시예 1-3의 만성 뇌졸중 모델을 사용하여, 뇌졸중 동물 제작 초기(3일차) 뇌경색 비율이 50% 이상인 동물 모델을 선정하였으며, 모델 제작 한 달이 지난 시점(4주차 이후)에 만니톨(25%, Sigma Aldrich사) 및 대조군(0.9% 생리 식염수)을 1.6 ㎖/15초의 속도로 내경동맥(ICA)으로 주입하였고, 직후에 같은 경로로 1×106 개의 MSC 및 MSC/Ngn1 세포를 500㎕ 생리 식염수에 현탁 하여 2분 동안 주입하였다. 만니톨과 줄기세포 치료제 주입 전 익구개동맥(pterygopalatine artery; PPA)을 결찰하였으며, 주입 완료 후 재관류하였다. 줄기세포 주입 후 1시간, 4시간, 24시간, 1주, 4주, 8주째에 MRI T2 star-weighted 사진을 촬영하고, 동물 모델의 전체 뇌 조직 MRI 사진에서 나타나는 SPIO 양성 픽셀(pixel) 수를 정량하였다. 정량은 NIH Image J 프로그램을 사용하여 수행되었다.In addition, using the chronic stroke model of Examples 1-3, an animal model with a cerebral infarction rate of more than 50% was selected at the beginning of the stroke animal production (day 3), and mannitol (after the 4th week) was administered one month after model production (after the 4th week). 25%, Sigma Aldrich) and control group (0.9% saline) were injected into the internal carotid artery (ICA) at a rate of 1.6 ㎖/15 seconds, and immediately after, 1 × 10 6 MSC and 500 MSC/Ngn1 cells were injected through the same route. It was suspended in ㎕ physiological saline and injected for 2 minutes. The pterygopalatine artery (PPA) was ligated before injection of mannitol and stem cell treatment, and reperfused after completion of injection. MRI T2 star-weighted images were taken at 1 hour, 4 hours, 24 hours, 1 week, 4 weeks, and 8 weeks after stem cell injection, and the number of SPIO-positive pixels appearing in the whole brain tissue MRI image of the animal model was calculated. Quantified. Quantification was performed using the NIH Image J program.

MRI는 9.4-T 동물 MRI 스캐너를 이용하였다(Sungkyunkwan University, Biospec 94/30; Bruker BioSpin MRI GmbH, Germany). T2-가중 이미지(T2-weighted images) 는 반복시간 (repetition time, TR) = 5000 ms, 에코시간 (echo time, TE) = 20ms, 평균 2, 획득 매트릭스 (acquisition matrix) = 256 Х 256; 1mm 슬라이드 두께 (slice thickness, ST)로 10 슬라이드, 플립 각도 (Flip angle FA) = 90°로 얻었다. T2*-가중 이미지 (T2*-weighted images)는 다음의 획득 매개변수 (acquisition parameters)와 함께 경사 에코 시퀀스 (gradient echo sequence)를 사용하여 얻었다: TR = 500 ms, TE = 12 ms, average = 4, acquisition matrix = 256×256, 10 slices, ST = 1 mm, FA = 30°. T2*-가중 이미지는 이식 후 1시간, 4시간, 24시간, 1주, 4주, 8주의 시점에서 얻었다. 전체 쥐의 뇌를 다루기 위해 총 10개의 슬라이드를 스캔하였다. 각 T2-가중 이미지의 허혈 영역 (Ischemic area)은 직접 표시하고 프로그램 (Philips DICOM Viewer R3.0 SP3)을 통해 계산되었다. 상대적인 경색 부피 (The relative infarct volume, RIV)는 식 RIV = [LT - (RT - RI)]×d를 통해 정규화되었고 (Neumann-Haefelin et al., 2000), 여기서 LT 및 RT는 각각 왼쪽과 오른쪽 반구를 각각 나타낸다; RI는 경색지역이고 d는 슬라이스 두께 (1mm) 이다. 상대 경색 부피(RIV)는 우측 반구 부피의 백분율로 표현되었다. MRI was performed using a 9.4-T animal MRI scanner (Sungkyunkwan University, Biospec 94/30; Bruker BioSpin MRI GmbH, Germany). T2-weighted images have repetition time (TR) = 5000 ms, echo time (TE) = 20 ms, average 2, acquisition matrix = 256 Х 256; 10 slides were obtained with a 1 mm slice thickness (ST) and a flip angle FA = 90°. T2*-weighted images were obtained using a gradient echo sequence with the following acquisition parameters: TR = 500 ms, TE = 12 ms, average = 4. , acquisition matrix = 256×256, 10 slices, ST = 1 mm, FA = 30°. T2*-weighted images were obtained at 1 hour, 4 hours, 24 hours, 1 week, 4 weeks, and 8 weeks after transplantation. A total of 10 slides were scanned to cover the entire rat brain. Ischemic area of each T2-weighted image was displayed directly and calculated through a program (Philips DICOM Viewer R3.0 SP3). The relative infarct volume (RIV) was normalized through the formula RIV = [LT - (RT - RI)] × d (Neumann-Haefelin et al., 2000), where LT and RT are left and right, respectively. Each represents a hemisphere; RI is the infarct area and d is the slice thickness (1 mm). Relative infarct volume (RIV) was expressed as a percentage of right hemisphere volume.

그 결과, 도 7a 및 도 7b에 나타낸 바와 같이, 이식 초기(1시간, 4시간)에는 만니톨을 주입한 MSC와 MSC/Ngn1 세포군(+Mannitol MSC, +Mannitol MSC/Ngn1)이 대조군(-Mannitol MSC, -Mannitol MSC/Ngn1)과 비교하여 유의적으로 많은 수의 세포가 뇌에 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 이식 후 24시간째에는 만니톨을 주입한 MSC/Ngn1 그룹(+Mannitol MSC/Ngn1)이 MSC 그룹(+Mannitol MSC) 및 대조군(-Mannitol MSC, -Mannitol MSC/Ngn1)과 유의적 차이를 보이는 것을 확인하였다. 이 후, 1주 및 4주가 지난 후에는 만니톨을 주입한 MSC/Ngn1 그룹(+Mannitol MSC/Ngn1)과 MSC 대조군(-Mannitol MSC)간 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다.As a result, as shown in Figures 7a and 7b, in the early stages of transplantation (1 hour and 4 hours), the MSC and MSC/Ngn1 cell groups (+Mannitol MSC, +Mannitol MSC/Ngn1) injected with mannitol were compared to the control group (-Mannitol MSC). , -Mannitol It was confirmed that a significantly larger number of cells were distributed in the brain compared to MSC/Ngn1). However, at 24 hours after transplantation, the MSC/Ngn1 group injected with mannitol (+Mannitol MSC/Ngn1) showed significant differences from the MSC group (+Mannitol MSC) and the control group (-Mannitol MSC, -Mannitol MSC/Ngn1). confirmed. After 1 week and 4 weeks, it was confirmed that there was a difference between the MSC/Ngn1 group injected with mannitol (+Mannitol MSC/Ngn1) and the MSC control group (-Mannitol MSC).

상기 결과로 만성 뇌졸중을 위한 줄기 세포 투여에서 혈관뇌장벽 투과 제제로 사용되는 만니톨이 경색 주변 영역으로 주입된 세포의 전달을 촉진하고, 일단 뇌실질부위로 전달된 이후에는 MSC/Ngn1이 MSC보다 만성 뇌졸중 뇌조직에서 생존이 증가되었음을 확인할 수 있었다(n=2; One-way ANOVA, *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001).As a result of the above results, mannitol, which is used as a blood-brain barrier permeable agent in stem cell administration for chronic stroke, promotes the delivery of injected cells to the peri-infarct area, and once delivered to the brain parenchyma, MSC/Ngn1 is more effective than MSC in chronic stroke. It was confirmed that survival was increased in brain tissue (n=2; One-way ANOVA, *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001).

<< 실시예Example 8> 만니톨 투여 후 동맥 투여된 세포의 분포 및 혈관 외 유출(distribution and extravasation) 확인 8> Confirmation of distribution and extravasation of cells administered to the artery after mannitol administration

만니톨 경동맥 투여 후 주입된 줄기세포의 뇌 조직으로 혈관 외 유출(extravasation)을 확인하기 위해 허혈성 뇌 병변 주위 피질 영역을 GFP 및 RECA1 항체로 염색하였으며, 그 수를 정량하고자 GFP 양성 세포 수 계산 및 AluJ-qPCR을 수행하였다.To confirm extravasation of the injected stem cells into the brain tissue after carotid administration of mannitol, the cortical area around the ischemic brain lesion was stained with GFP and RECA1 antibodies. To quantify the number, the number of GFP-positive cells was counted and AluJ- qPCR was performed.

구체적으로, 실시예 1-3의 모델 마우스에서 우측 외경동맥(right external carotid artery; ECA)을 노출시켰다. 실시예 5의 만니톨을 동맥투여 한 뒤, 실시예 1-2에서 제조된 MSC-GFP 및 MSC/Ngn-GFP는 각각 500㎕ PBS에 1×106의 밀도로 준비되었고 우측 외경동맥 (right external carotid artery; ECA)에서 우측 내경동맥(right internal carotid artery; ICA)으로 2분간 천천히 투여되었다. 투여 중 익돌구개 동맥(pterygopalatine artery)은 임시적으로 봉합하였고, 세포 투여 후 개봉하였다. 내경동맥의 혈류는 투여 중 유지되었다. 대조군으로는 만니톨 대신 식염수를 사용한 것 외에는 동일하게 진행하였다.Specifically, the right external carotid artery (ECA) was exposed in the model mice of Examples 1-3. After intraarterial administration of mannitol in Example 5, MSC-GFP and MSC/Ngn-GFP prepared in Example 1-2 were each prepared at a density of 1 × 10 6 in 500 μl PBS and administered to the right external carotid artery. It was administered slowly over 2 minutes from the artery (ECA) to the right internal carotid artery (ICA). During administration, the pterygopalatine artery was temporarily sutured and opened after cell administration. Blood flow in the internal carotid artery was maintained during administration. As a control group, the same procedure was performed except that saline solution was used instead of mannitol.

또한, 투여된 세포를 확인하는 방법으로는 면역조직화학염색과 AluJ-qPCR을 수행하였다.In addition, immunohistochemical staining and AluJ-qPCR were performed to confirm the administered cells.

구체적으로, 면역조직화학염색은 래트를 심부 마취시키고 0.9% 식염수 관류 후 10% 포르말린을 심혈관 관류시켰다. 이후 뇌를 적출하고 밤새 고정시켰다. 뇌는 조직이 침적될 때까지 15% 수크로오스 PBS 및 30% 수크로오스 PBS에 두었다. 그리고 뇌를 아이소펜테인(isopentane)에서 동결시키고 -70℃를 유지하였다. 동결된 조직은 OCT 화합물 (OCT compound)에 넣고 cryostat을 이용하여 18㎛ 두께로 절단하였다. 형광 면역 조직 화학 염색의 경우 98℃에서 30분간 10mM 구연산 나트륨 완충액 (pH 6.0)에서 샘플들을 끓여 항원 회수 (antigen retrieval)를 수행하였고 PBS로 3회 세척하였다. 비특이적 염색을 차단하기 위해, 슬라이드를 10% 정상 혈청으로 1시간 배양하였고, 일차 항체를 4℃에 밤새 적용하였다. 일차 항체로 토끼 항-GFAP (1:500; G9269, Sigma Aldrich사), 토끼 항-Iba1 (1:3000; 019-19741, WAKO사, USA),마우스 항-CD68 (1:200; MCA341R, Bio-rad사), 마우스 항-hMT (1:300; MAB1273, EMD millipore사), 토끼 항-MAP2 (1:200; AB2290, Merck Millipore사), 토끼 항-NeuN (1:200; ABN78, EMD millipore사), 마우스 항-RECA-1 (1:50; LS-C140163, LSBio사), 닭 항-gFP (1:300; ab13970, Abcam사)를 사용하였다. 다음으로, 조직을 1시간 배양하고 1% Triton X-100/PBS로 두 번 세척하고 Alexa fluor 488- 또는 568- 표지된 항-IgG 2차 항체 (1:250, invitrogen사)과 함께 1시간 동안 배양하였고 Hoechst를 이용하여 5분간 교차 염색하였다. 슬라이드 섹션들은 Fluoromount-G (SouthernBiotech사, USA)에 장착하였고, 형광 이미지는 Zeiss LSM710 confocal microscope (Carl Zeiss사, Oberkochen, Germany)을 사용하여 얻었다.Specifically, for immunohistochemical staining, rats were deeply anesthetized and perfused with 0.9% saline solution followed by cardiovascular perfusion with 10% formalin. The brain was then removed and fixed overnight. Brains were placed in 15% sucrose PBS and 30% sucrose PBS until tissue deposition. Then, the brain was frozen in isopentane and maintained at -70°C. The frozen tissue was placed in OCT compound and cut to a thickness of 18㎛ using a cryostat. For fluorescent immunohistochemical staining, antigen retrieval was performed by boiling the samples in 10mM sodium citrate buffer (pH 6.0) for 30 minutes at 98°C and washed three times with PBS. To block non-specific staining, slides were incubated with 10% normal serum for 1 hour, and primary antibodies were applied overnight at 4°C. Primary antibodies used were rabbit anti-GFAP (1:500; G9269, Sigma Aldrich), rabbit anti-Iba1 (1:3000; 019-19741, WAKO, USA), and mouse anti-CD68 (1:200; MCA341R, Bio). -rad), mouse anti-hMT (1:300; MAB1273, EMD millipore), rabbit anti-MAP2 (1:200; AB2290, Merck Millipore), rabbit anti-NeuN (1:200; ABN78, EMD millipore) G), mouse anti-RECA-1 (1:50; LS-C140163, LSBio), chicken anti-gFP (1:300; ab13970, Abcam) were used. Next, the tissue was incubated for 1 hour, washed twice with 1% Triton Cultured and cross-stained for 5 minutes using Hoechst. Slide sections were mounted on Fluoromount-G (SouthernBiotech, USA), and fluorescence images were obtained using a Zeiss LSM710 confocal microscope (Carl Zeiss, Oberkochen, Germany).

또한, qPCR은 세포 이식 후 1시간, 24시간 및 1주 후에, Qiagen 키트 (Cat No.69504)를 사용하여 균질화된 우뇌 반구로부터 인간 게놈 DNA를 분리하였다. 게놈 DNA를 분리하기 전에 뇌를 -80℃에 보관하였다. AluJ-qPCR은 하기 표 1의 서열을 가지는 프라이머를 이용하여 수행하였다. Additionally, human genomic DNA was isolated from the homogenized right brain hemisphere using a Qiagen kit (Cat No.69504) for qPCR at 1 hour, 24 hours, and 1 week after cell transplantation. Brains were stored at -80°C prior to isolation of genomic DNA. AluJ-qPCR was performed using primers with the sequences shown in Table 1 below.

서열(5'→3')Sequence (5'→3') 서열번호sequence number 정방향 프라이머forward primer CACCTGTAATCCCAGCACTTTCACCTGTAATCCCCAGCACTTT 서열번호 2SEQ ID NO: 2 역방향 reverse 프라이머primer CCCAGGCTGGAGTGCAGTCCCAGGCTGGAGTGCAGT 서열번호 3SEQ ID NO: 3

증폭은 95℃ 10분간 초기 유지온도, 이후 95℃ 15초, 56℃ 30초, 72℃ 30초로 40 사이클 수행하였고 60℃부터 95℃까지 1℃ 단위로 용융 곡선 분석을 하였다. 반응은 10㎕의 SYBR PCR Master Mix (Thermo Fisher Scientific사, A25742), 각 프라이머 0.005nM 및 물로 최종부피까지 희석한 100ng의 DNA 주형을 포함하는 20㎕의 부피로 수행하였다. qPCR 분석은 StepOne Plus real-time PCR 기계를 이용하여 수행하였다. 상기 StepOne 소프트웨어를 사용하여 교차임계값(crossing threshold (Ct) value)을 계산하였다. 절대 정량을 위한 qPCR 표준 곡선은 human genomic DNA 100ng을 시작으로 정상 랫트의 좌뇌로부터 추출된 genomic DNA에 10배로 연속 희석 (10-fold serial dilutions)하여 얻은 혼합물을 사용하여 결정하였다. qPCR은 한 샘플 당 4회 수행하였고, human cell의 수는 0-100ng human genomic DNA를 이용한 표준곡선으로부터 환산하여 계산하였다.Amplification was performed at an initial holding temperature of 95°C for 10 minutes, followed by 40 cycles of 95°C for 15 seconds, 56°C for 30 seconds, and 72°C for 30 seconds, and melting curve analysis was performed from 60°C to 95°C in 1°C increments. The reaction was performed in a volume of 20 μl containing 10 μl of SYBR PCR Master Mix (Thermo Fisher Scientific, A25742), 0.005 nM of each primer, and 100 ng of DNA template diluted with water to the final volume. qPCR analysis was performed using a StepOne Plus real-time PCR machine. The crossing threshold (Ct) value was calculated using the StepOne software. The qPCR standard curve for absolute quantification was determined using a mixture obtained by 10-fold serial dilutions of genomic DNA extracted from the left brain of a normal rat, starting with 100ng of human genomic DNA. qPCR was performed four times per sample, and the number of human cells was calculated by converting from a standard curve using 0-100ng human genomic DNA.

그 결과, 도 8a 및 도 8b에 나타낸 바와 같이, 만니톨 주입을 하지 않은 경우(-Mannitol), 주입된 MSC와 MSC/Ngn1 세포의 혈관 외 유출이 24시간째까지 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 만니톨을 주입한 경우(+Mannitol), MSC와 MSC/Ngn1 세포 주입 24시간째부터 혈관 외 유출이 관찰되며, 잔존하는 GFP 양성 세포수의 유의적 차이를 확인할 수 있었다.As a result, as shown in Figures 8a and 8b, it was confirmed that when mannitol was not injected (-Mannitol), extravasation of the injected MSCs and MSC/Ngn1 cells was not observed until 24 hours. On the other hand, when mannitol was injected (+Mannitol), extravasation of MSC and MSC/Ngn1 cells was observed 24 hours after injection, and a significant difference in the number of remaining GFP-positive cells was confirmed.

또한, 도 8c에 나타낸 바와 같이, 만니톨 투여 후 MSC/Ngn1 세포를 투여하였을 경우, MSC를 투여한 군(+Mannitol MSC) 및 대조군(-Mannitol MSC, -Mannitol MSC/Ngn1)과 비교하여 유의적으로 많은 세포가 남아있는 것을 확인할 수 있었다.In addition, as shown in Figure 8c, when MSC/Ngn1 cells were administered after mannitol administration, the cells were significantly increased compared to the group administered MSC (+Mannitol MSC) and the control group (-Mannitol MSC, -Mannitol MSC/Ngn1). It was confirmed that many cells remained.

상기 결과는 고삼투압 만니톨이 만성 뇌졸중의 뇌 실질로 세포가 이동시킬 수 있음을 의미하고, 이를 통해 만니톨 전처리 된 혈관 내 동맥 투여된 MSC/Ngn1 세포가 혈관 외부로 유출이 잘 일어나고, MSC보다 오래 생존함을 확인할 수 있다. The above results indicate that hyperosmolar mannitol can move cells into the brain parenchyma of chronic stroke, and through this, MSC/Ngn1 cells administered intraarterially pre-treated with mannitol are more likely to leak out of the blood vessel and survive longer than MSCs. You can check that.

<< 실시예Example 9> 만성 9> Chronic 뇌졸증stroke 모델에서 in model MSCM.S.C. // Ngn1의Ngn1 신경분화 확인 Confirmation of neural differentiation

만니톨 투여와 MSC 및 MSC/Ngn1 투여 1주차 및 4주차의 뇌 조직에 잔존하는 줄기세포가 신경세포로 분화하는 능력을 분석하고자, 허혈성 반구의 병변 및 뇌실질에서 신경세포 및 교세포의 분포를 확인하였다.To analyze the ability of stem cells remaining in the brain tissue to differentiate into neurons during the 1st and 4th weeks of mannitol administration and MSC and MSC/Ngn1 administration, the distribution of neurons and glial cells was confirmed in the lesion and brain parenchyma of the ischemic hemisphere.

구체적으로, MSC 와 MSC/Ngn1 세포는 인간 특이적 hMT 항체를 사용하여 분석하였고, 신경세포로의 분화를 확인할 수 있는 마커 NeuN(신경세포의 핵) 및 MAP2(신경세포의 수상 돌기)와 교세포 마커(GFAP)를 이용하여 면역 조직 화학법으로 분석하였다. 항-NeuN(1:500, EMD Millipore사), 항-MAP2(1:200, Sigma-Aldrich사), 항-GFAP(1:500, Sigma Aldrich사) 및 항-hMT(1:250, EMD Millipore사) 1차 항체 및 이후의 2차 항마우스 488 또는 토끼항체 568(1:250, Life Technologies사)를 이용하였으며, 핵은 Hoechst(1:2,000, Thermo Fisher Scientific사)로 검출되었다. 사진은 공초점 형광현미경(LSM 710, Zeiss사)을 사용하여 획득하였다.Specifically, MSC and MSC/Ngn1 cells were analyzed using human-specific hMT antibodies, and the markers NeuN (nucleus of neurons) and MAP2 (dendrites of neurons), which can confirm differentiation into neurons, and glial cell markers (GFAP) was used to analyze immunohistochemistry. anti-NeuN (1:500, EMD Millipore), anti-MAP2 (1:200, Sigma-Aldrich), anti-GFAP (1:500, Sigma Aldrich) and anti-hMT (1:250, EMD Millipore) G) Primary antibody and secondary anti-mouse 488 or rabbit antibody 568 (1:250, Life Technologies) were used, and nuclei were detected with Hoechst (1:2,000, Thermo Fisher Scientific). Photographs were acquired using a confocal fluorescence microscope (LSM 710, Zeiss).

그 결과, 도 8b 및 도 8c에 나타낸 바와 같이, 세포 이식 1주차 뇌 조직에서 MSC/Ngn1 세포의 잔존성이 MSC에 비해서 높았으나, 이 세포들의 분화는 관찰할 수 없었다. 도 8d에 나타난 바와 같이, 4주가 지난 뇌 조직에서 일부 남은 MSC 세포는 hMT/GFAP 양성 세포로 분화하여 분포하는 반면, MSC/Ngn1 세포는 hMT/NeuN 및 hMT/MAP2 양성 신경세포로 분화함을 확인할 수 있었다. 이는 MSC/Ngn1이 신경세포로의 분화 여부와 상관없이 체내 잔존성이 증가되어 있으며, 저산소, 무혈청 조건에서 저항성이 높아진다는 사실이 이를 뒷받침한다. 아울러 만니톨 및 MSC/Ngn1 세포 투여 시, 뇌 병변 주위의 신경세포 분포가 증가하여 뇌졸중 등의 뇌질환 치료에 유용하게 사용할 수 있다.As a result, as shown in Figures 8b and 8c, the survival of MSC/Ngn1 cells in brain tissue at 1 week after cell transplantation was higher than that of MSCs, but differentiation of these cells could not be observed. As shown in Figure 8d, in the brain tissue after 4 weeks, some remaining MSC cells differentiated and distributed into hMT/GFAP positive cells, while MSC/Ngn1 cells differentiated into hMT/NeuN and hMT/MAP2 positive neurons. I was able to. This is supported by the fact that MSC/Ngn1 has increased survival in the body regardless of whether it is differentiated into nerve cells, and that resistance is increased under hypoxic and serum-free conditions. In addition, when mannitol and MSC/Ngn1 cells are administered, the distribution of nerve cells around brain lesions increases, making them useful for treating brain diseases such as stroke.

<실시예 10> MSC/Ngn1의 신경학적 기능 회복 평가<Example 10> Evaluation of neurological function recovery of MSC/Ngn1

만성 뇌졸증을 갖는 동물에 이식한 줄기세포의 유효성을 평가하기 위하여, 동물행동분석, 구체적으로 코너 테스트, 로타로드 테스트, 부착물 제거 테스트를 통해 MSC/Ngn1 투여 만성 뇌졸중 모델, MSC/Ngn1 대신 MSC가 투여된 만성 뇌졸중 모델 및 MSC/Ngn1 대신 식염수가 투입된 만성 뇌졸중 모델에서 투여 후 8주까지 신경기능 회복을 평가하였다. To evaluate the effectiveness of stem cells transplanted into animals with chronic stroke, MSC/Ngn1 administered chronic stroke model through animal behavioral analysis, specifically corner test, rotarod test, and attachment removal test, MSC was administered instead of MSC/Ngn1. Neurological function recovery was evaluated up to 8 weeks after administration in a chronic stroke model and a chronic stroke model in which saline was administered instead of MSC/Ngn1.

구체적으로, 코너테스트(Corner test)는 회전 선호에 있어 비대칭성(asymmetry)을 평가하는데 사용한 것으로, 동물을 30°각도로 가깝게 배치된 2개의 판자 (50cm×30cm×30cm)로 구성된 장치에 배치하였다. 동물이 코너 깊숙한 쪽으로 이동하다 수염이 벽에 닿으면, 동물이 돌아 나올 때의 방향을 측정하며, 동물 당 10번씩 시도하여 평균값을 기록하였다. 정상동물은 무작위로 회전하므로 편측성(laterality) 지수가 0에 가깝게 나타나는데 반해서, 편측 뇌 손상(unilateral abnormality) 동물모델에서는 손상된 방향(ipsilateral)으로 회전한다. 코너 이동의 비율은 결손의 지표로 나타내었다.Specifically, the Corner test was used to evaluate asymmetry in rotation preference, and animals were placed in an apparatus consisting of two boards (50 cm × 30 cm × 30 cm) placed closely at a 30° angle. . When the animal moved deeper into the corner and its whiskers touched the wall, the direction in which the animal turned around was measured, and the average value was recorded after 10 attempts per animal. Normal animals rotate randomly, so the laterality index appears close to 0, whereas in animal models with unilateral brain damage (unilateral abnormality), they rotate in the damaged direction (ipsilateral). The rate of corner movement was expressed as an indicator of defect.

로타로드 테스트(Rotarod test)는 5분 동안 4 rpm에서 40 rpm까지 가속되는 원통형 장비 위에서 실험동물이 뛰는 시간을 측정하는 테스트로서, 동물당 3회 시도하여 평균값으로 나타냈다. 부착물 제거 테스트(Adhesive Removal test)는 동물의 양 앞발의 등에 10㎜×10㎜의 테이프를 붙이고, 양 앞발의 테이프를 제거하는 데에 걸리는 시간을 측정하는 테스트로서 컷오프 시간을 300초로 하였다. The Rotarod test is a test that measures the time an experimental animal runs on a cylindrical device accelerated from 4 rpm to 40 rpm for 5 minutes. The test was performed 3 times per animal and expressed as the average value. The Adhesive Removal test is a test that measures the time it takes to attach a 10 mm x 10 mm tape to the back of both front paws of an animal and remove the tape from both front paws, with a cutoff time of 300 seconds.

뇌졸중 모델 제작 일주일 전(-5w), 코너테스트, 로타로드 테스트 및 부착물 제거 테스트의 전 행동 훈련(pre-behavior training)을 수행하고, -4w에 뇌졸중을 유도하고, 일주일 간격으로 행동분석을 진행하였다. 뇌졸중 모델 제작 후 한 달 째(0w)에, 만니톨(25%, 1.6㎖/15초, Sigma Aldrich사)을 내경동맥 주입 후, 같은 경로로 1×106개의 MSC 및 MSC/Ngn1 세포를 투여하였다. 대조군으로는 생리 식염수를 투여하고, 동물 모델에 세포 이식 후 8주째까지 행동분석 결과를 관찰하였다.A week before creating the stroke model (-5w), pre-behavior training including corner test, rotarod test, and attachment removal test was performed. Stroke was induced at -4w, and behavioral analysis was performed at weekly intervals. . One month after creating the stroke model (0w), mannitol (25%, 1.6 ㎖/15 seconds, Sigma Aldrich) was injected into the internal carotid artery, and then 1 × 10 6 MSC and MSC/Ngn1 cells were administered through the same route. . Physiological saline was administered as a control group, and behavioral analysis results were observed until 8 weeks after cell transplantation into the animal model.

그 결과, 도 9에서 나타낸 바와 같이, 그룹 간 로타로드 테스트에서 유의미한 차이는 없었다. 그러나 운동 조정(the motor coordination)은 모든 동물에서 꾸준히 개선되는 경향을 보여주었다. 부착물 제거 테스트에 의해 측정된 촉각의 손실(impairment of tactile extinction)은 대조군과 비교하여 8주 후에는 MSC 및 MSC/Ngn1 그룹에서 회복되었지만, MSC 그룹과 MSC/Ngn1 그룹의 유의한 차이는 없었다. 운동 감각 결손 (sensorimotor deficits) 및 자세 비대칭을 확인할 수 있는 코너 테스트에서는, MSC/Ngn1 그룹은 이식 후 6주 내지 8주에 다른 그룹에 비하여 기능적인 결과에서 유의한 차이를 보였다. 결론적으로 만니톨의 전처리와 함께 MSC/Ngn1의 동맥 투여가 만성 뇌졸중에서 행동 기능의 회복을 촉진한다는 것을 확인할 수 있었다(n=6, *p<0.05, saline vs. MSC/Ngn1 groups, #p<0.05 saline vs. MSC,†p<0.05, MSC vs. MSC/Ngn1).As a result, as shown in Figure 9, there was no significant difference in the rotarod test between groups. However, motor coordination showed a steady trend of improvement in all animals. Impairment of tactile extinction, as measured by the attachment removal test, recovered in the MSC and MSC/Ngn1 groups after 8 weeks compared to the control group, but there was no significant difference between the MSC and MSC/Ngn1 groups. In the corner test, which can identify sensorimotor deficits and postural asymmetry, the MSC/Ngn1 group showed significant differences in functional results compared to other groups at 6 to 8 weeks after transplantation. In conclusion, it was confirmed that arterial administration of MSC/Ngn1 along with mannitol pretreatment promotes recovery of behavioral function in chronic stroke (n=6, *p<0.05, saline vs. MSC/Ngn1 groups, #p<0.05 saline vs. MSC,†p<0.05, MSC vs. MSC/Ngn1).

<110> Cellebrain Co., Ltd. <120> Pharmaceutical composition for intra-arterial administration comprising an adult stem cell transfected with neurogenic transcription factor gene with basic helix-loop-helix motif <130> 2020P-11-078 <160> 3 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 716 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Ngn1 cDNA <400> 1 atgccagccc gccttgagac ctgcatctcc gacctcgact gcgccagcag cagcggcagt 60 gacctatccg gcttcctcac cgacgaggaa gactgtgcca gactccaaca ggcagcctcc 120 gcttcggggc cgcccgcgcc ggcccgcagg agcgcgccca atatctcccg ggcgtctgag 180 gttccagggg cacaggacga cgagcaggag aggcggcggc gccgcggccg gacgcgggtc 240 cgctccgagg cgctgctgca ctcgctgcgc aggagccggc gcgtcaaggc caacgatcgc 300 gagcgcaacc gcatgcacaa cttgaacgcg gccctggacg cactgcgcag cgtgctgccc 360 tcgttccccg acgacaccaa gctcaccaaa atcgagacgc tgcgcttcgc ctacaactac 420 atctgggctc tggccgagac actgcgcctg gcggatcaag ggctgcccgg aggcggtgcc 480 cgggagcgcc tcctgccgcc gcagtgcgtc ccctgcctgc ccggtccccc aagccccgcc 540 agcgacgcgg agtcctgggg ctcaggtgcc gccgccgcct ccccgctctc tgaccccagt 600 agcccagccg cctccgaaga cttcacctac cgccccggcg accctgtttt ctccttccca 660 agcctgccca aagacttgct ccacacaacg ccctgtttca ttccttacca ctaggc 716 <210> 2 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer <400> 2 cacctgtaat cccagcactt t 21 <210> 3 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer <400> 3 cccaggctgg agtgcagt 18 <110> Cellebrain Co., Ltd. <120> Pharmaceutical composition for intra-arterial administration comprising an adult stem cell transfected with neurogenic transcription factor gene with basic helix-loop-helix motif <130> 2020P-11-078 <160> 3 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 716 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Ngn1 cDNA <400> 1 atgccagccc gccttgagac ctgcatctcc gacctcgact gcgccagcag cagcggcagt 60 gacctatccg gcttcctcac cgacgaggaa gactgtgcca gactccaaca ggcagcctcc 120 gcttcggggc cgcccgcgcc ggcccgcagg agcgcgccca atatctcccg ggcgtctgag 180 gttccagggg cacaggacga cgagcaggag aggcggcggc gccgcggccg gacgcgggtc 240 cgctccgagg cgctgctgca ctcgctgcgc aggagccggc gcgtcaaggc caacgatcgc 300 gagcgcaacc gcatgcacaa cttgaacgcg gccctggacg cactgcgcag cgtgctgccc 360 tcgttccccg acgacaccaa gctcaccaaa atcgagacgc tgcgcttcgc ctacaactac 420 atctgggctc tggccgagac actgcgcctg gcggatcaag ggctgcccgg aggcggtgcc 480 cgggagcgcc tcctgccgcc gcagtgcgtc ccctgcctgc ccggtccccc aagccccgcc 540 agcgacgcgg agtcctgggg ctcaggtgcc gccgccgcct ccccgctctc tgaccccagt 600 agcccagccg cctccgaaga cttcacctac cgccccggcg accctgtttt ctccttccca 660 agcctgccca aagacttgct ccacacaacg ccctgtttca ttccttacca ctaggc 716 <210> 2 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer <400> 2 cacctgtaat cccagcactt t 21 <210> 3 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer <400> 3 cccaggctgg agtgcagt 18

Claims (13)

염기성 나선-고리-나선(basic helix-loop-helix; bHLH) 계열의 신경형성 전사인자 유전자인 뉴로제닌(Neurogenin, Ngn)이 도입된 성체 줄기세포주 및 만니톨을 포함하는 신경계 질환치료용 약학적 조성물로서, 
상기 성체 줄기세포주 및 만니톨은 경동맥으로 투여되고,
상기 만니톨은 볼루스(bolus)를 통해 주입되며;
상기 줄기세포주는 상기 만니톨이 투여된 뒤에 투여되는 것을 특징으로 하는, 신경계 질환 치료용 약학적 조성물.
A pharmaceutical composition for treating neurological diseases containing an adult stem cell line into which Neurogenin (Ngn), a basic helix-loop-helix (bHLH) family neurogenesis transcription factor gene, has been introduced, and mannitol. ,
The adult stem cell line and mannitol are administered into the carotid artery,
The mannitol is administered via bolus;
A pharmaceutical composition for treating neurological diseases, characterized in that the stem cell line is administered after the mannitol is administered.
제1항에 있어서, 상기 경동맥은 내경동맥(internal carotid artery; ICA)인 것을 특징으로 하는, 신경계 질환 치료용 약학적 조성물.
The pharmaceutical composition for treating neurological diseases according to claim 1, wherein the carotid artery is an internal carotid artery (ICA).
제1항에 있어서, 상기 경동맥 투여는 투여 전 익구개 동맥 (pterygopalatine artery; PPA)을 결찰하여 수행되는 것을 특징으로 하는 것인, 신경계 질환 치료용 약학적 조성물.
The pharmaceutical composition for treating neurological diseases according to claim 1, wherein the carotid artery administration is performed by ligation of the pterygopalatine artery (PPA) before administration.
제1항에 있어서, 상기 만니톨은 삼투압에 의해 혈관뇌장벽(BBB)를 파괴하는 것을 특징으로 하는, 신경계 질환 치료용 약학적 조성물.
The pharmaceutical composition for treating neurological diseases according to claim 1, wherein the mannitol destroys the blood brain barrier (BBB) by osmotic pressure.
제1항에 있어서, 상기 만니톨은 20 내지 30%의 농도인 것을 특징으로 하는, 신경계 질환 치료용 약학적 조성물.
The pharmaceutical composition for treating neurological diseases according to claim 1, wherein the mannitol is present at a concentration of 20 to 30%.
제1항에 있어서, 상기 만니톨은 1 내지 10mg/kg의 용량으로 투여되는 것을 특징으로 하는, 신경계 질환 치료용 약학적 조성물.
The pharmaceutical composition for treating neurological diseases according to claim 1, wherein the mannitol is administered in a dose of 1 to 10 mg/kg.
제1항에 있어서, 상기 만니톨은 15초에 1 내지 2 ㎖의 속도로 볼루스 주입되는 것을 특징으로 하는, 신경계 질환 치료용 약학적 조성물.
The pharmaceutical composition for treating neurological diseases according to claim 1, wherein the mannitol is bolus injected at a rate of 1 to 2 ml per 15 seconds.
제1항에 있어서, 상기 성체 줄기세포주는 5×105개/kg 내지 5×107개/kg 투여되는 것을 특징으로 하는, 신경계 질환 치료용 약학적 조성물.
The pharmaceutical composition for treating neurological diseases according to claim 1, wherein the adult stem cell line is administered at 5×10 5 cells/kg to 5×10 7 cells/kg.
제1항에 있어서, 상기 성체 줄기세포주는 신경세포 및 신경교세포로 분화되는 것인, 신경계 질환 치료용 약학적 조성물.
The pharmaceutical composition for treating neurological diseases according to claim 1, wherein the adult stem cell line is differentiated into neurons and glial cells.
제1항에 있어서, 상기 뉴로제닌은 뉴로제닌 1(Neurogenin 1, Ngn1), 뉴로제닌 2(Neurogenin 2, Ngn2) 또는 뉴로 D1(neuro D1)인 것을 특징으로 하는, 신경계 질환 치료용 약학적 조성물.
The pharmaceutical composition for treating neurological diseases according to claim 1, wherein the neurogenin is Neurogenin 1 (Ngn1), Neurogenin 2 (Ngn2), or Neuro D1.
제1항에 있어서, 상기 성체 줄기세포주는 골수, 혈액, 제대혈, 탯줄, 지방조직, 간장, 피부, 위장관, 태반 및 자궁으로부터 유래한 줄기세포로 구성된 군으로부터 선택된 것인, 신경계 질환 치료용 약학적 조성물.
The pharmaceutical method for treating neurological diseases according to claim 1, wherein the adult stem cell line is selected from the group consisting of stem cells derived from bone marrow, blood, cord blood, umbilical cord, adipose tissue, liver, skin, gastrointestinal tract, placenta, and uterus. Composition.
제1항에 있어서, 상기 성체 줄기세포주는 중간엽 줄기세포주인, 신경계 질환 치료용 약학적 조성물.

The pharmaceutical composition for treating neurological diseases according to claim 1, wherein the adult stem cell line is a mesenchymal stem cell line.

제1항에 있어서, 상기 신경계 질환은 만성 뇌졸중(chronic stroke)을 포함하는 신경 질환 중 하나이거나 뇌졸중 후 수반되는 만성적인 신체 장애인 것을 특징으로 하는, 신경계 질환 치료용 약학적 조성물.
The pharmaceutical composition for treating neurological diseases according to claim 1, wherein the neurological disease is one of neurological diseases including chronic stroke or a chronic physical disorder accompanying a stroke.
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