WO2023027317A1 - 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육 감소 관련 질환 치료용 조성물 - Google Patents
편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육 감소 관련 질환 치료용 조성물 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육 감소 관련 질환의 예방, 개선 또는 치료용 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 조성물은 miR-145-5p를 높은 함량으로 함유하며, 근골격의 소실 감소를 회복하고, 근육 섬유 소실, 근관 세포 형성 억제에 대한 회복 효과를 가지며, 근육량에 대한 음성 조절자인 액티빈 A의 발현을 조절하고, 근육 섬유 형성 관련 유전자의 발현을 증진시키고 근육 위축 관련 유전자의 발현을 증진시킴으로써 근육 감소 관련 질환의 예방, 개선 및 치료와 운동 능력 개선에 우수한 효과를 가진다.
Description
본 발명은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육 감소 관련 질환 예방 또는 치료용 약학 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육 감소 관련 질환 예방 또는 개선용 식품 조성물에 관한 것이다.
골격근은 인체에서 가장 큰 부분을 차지하는 기관으로 총 몸무게의 40-50%를 차지하며 에너지 항상성 및 열생성 등을 비롯한 체내 여러 대사 기능에도 중요한 역할을 한다. 사람의 근육은 40세 이후부터 매년 1% 이상씩 감소하며, 80세가 되면 최대 근육량의 50% 수준이 감소되며, 노년의 근육 감소는 전반적인 신체기능을 떨어뜨리는 가장 중요한 요소로 인식되어지고 있다. 노화가 진행될수록 근육과 지방의 함량, 골격 왜곡 등 체형이 변화되는 것을 인지하게 되는데, 노년기 근감소에 의한 비만 유병률은 전 세계적으로 30%이상 수준에서 지속적인 증가 추세를 보이고 있다. 인슐린 분비 이상인 경우 세포에 에너지를 제대로 공급하지 못해 근육발달장애를 일으킬 수 있어, 일반인 보다 당뇨병 환자에게 근감소증이 증가한다. 또한 근육의 감소는 관절염, 허리통증, 만성통증을 더 증가시키는 원인이 되며, 복부비만에 의한 요실금 증세도 악화시킬 수 있고, 골절에 의한 부상은 노년의 우울증을 증가시켜 사망에 이를 수 있기 때문에 노년의 근감소증은 다양한 질환과 연계되어 삶의 질을 떨어뜨리는 주요 원인이 된다.
근육 감소 관련 질환은 골격근의 약화로 인해 점차 보행 및 이동기능의 장애가 오고 일상생활 동작(activities of daily living, ADL)이 어려워지면서 독립적인 생활이 불가능해지는 경과를 거친다. 더불어 심폐기능 장애를 초래하고 다른 합병증들을 병발하므로 이의 특성을 정확히 이해하고 접근을 하는 것이 중요하다.
근감소증은 골격근의 양 및 기능이 저하된 상태를 말한다. 근감소증은 노화, 호르몬 이상, 영양 부족, 신체 활동 부족, 염증 및 퇴행성 질환 등 다양한 원인에 의해 발생되는데, 그 중 암, 노화 및 성호르몬 부족이 주요 원인이 될 수 있는 것으로 알려져 있다. 의료기술의 발전 및 다양한 치료제 개발로 인해 전 세계적으로 평균 수명이 증가함에 따라 고령화 인구가 증가하고 있으며, 이에 따라 근감소증에 대한 치료의 요구 또한 지속적으로 증가할 것으로 예상되고 있다. 근감소증 환자에서, 근원세포의 줄기 세포인 위성 세포의 모집, 활성 또는 증식의 장애로 인한 근원세포(myoblast)의 개수가 감소하며, 근원세포의 증식 및 분화가 감소하고, 이에 따라 근감소증 환자의 근육은 조직학적인 수준에서 근 섬유의 크기 및 수가 감소하여 근기능이 감소하는 증상이 나타난다. 과거 10여년간 미국 및 유럽을 중심으로 근감소증의 역학에 대한 연구가 활발히 이루어지면서 최근에 근감소증의 임상적 중요성에 대한 관심이 폭증하고 있다. 초기 연구에서는 근감소증이 전신 쇠약, 활동 장애 및 근력 감소에 의해 삶의 질 저하를 유발한다는 결과들이 주류를 이루었지만, 최근 발표되는 연구들에서는 삶의 질 이외에도 골다공증성 골절 위험이 현저히 증가할 수 있음이 보고되었다. 또한, 근감소증 환자에서 당뇨병 및 대사증후군, 비만, 만성 신부전, 만성 간부전 등의 만성 질환이 유발되며, 궁극적으로는 사망률도 증가시키기 때문에, 근감소증은 적절하게 치료받아야 하는 질환으로서 관심이 집중되고 있다. 최근 미국에서는 근감소증 환자에서 신체 장애가 발생할 가능성이 약 1.5배 내지 약 3.5배가 증가함으로써 연간185억 USD의 사회적 비용을 유발한다고 보고된 바 있다. 우리나라에서는 국민건강영양조사에 따르면 근감소증 유병률은 60세 이상 남성의 42.0%와 여성의 42.7%로 매우 흔한 질환이며, 특히 우리나라는 전세계에서도 고령화 속도가 가장 높기 때문에 향후 중요한 사회적 문제가 될 것이 확실하다.
근위축증(muscular atrophy)은 사지의 근육이 위축되는 질환으로 MuRF-1과 Atrogin-1의 발현이 증가하여 근육의 미오신 헤비체인(Myosin heavy chain)을 분해시킴으로써 근육의 크기가 줄어드는 근육위축증이 발생하게 되는 것으로 알려져 있다.
근육 감소 관련 질환과 연관된 척수신경, 운동신경 또는 골격근 섬유의 퇴행에 의해 유발되는 근감소증은 아직까지 발병원인이 규명되지 않은 대표적인 난치성 질환의 하나이다. 지금까지 연구된 바에 의하면, 골격근의 수축을 유도하는 운동신경이 퇴행되어 골격근의 수축이 진행되지 않거나 또는 골격근 내에서 근육의 수축에 관여하는 단백질의 발현이 감소되거나 상기 단백질이 변형되어 정상적인 골격근의 수축이 진행되지 않으며, 장기적으로는 상기 운동신경 또는 골격근이 섬유성 조직으로 변형되는 것으로 알려져 있다. 이와 같은 근감소증의 근본적인 발병원인이 아직 규명되지 않았고, 운동신경이나 골격근의 퇴행을 방지하거나 또는 회복시킬 수 있는 방법이 개발되지 않고 있기 때문에, 현재로서는 상기 근감소증의 진행을 둔화시키는 방법을 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 근감소증에는 운동, 단백질 및 칼로리 보충이 도움이 된다고 알려져 있으나, 근감소증 환자의 대부분을 차지하는 노인들에서는 크게 도움이 되지 않아 근감소증 치료제가 절실히 필요하다. 그러나, 현재 근감소증에 사용되는 치료제들은 근육감소 개선 및 근육량 증진에 직접적인 효과를 나타내는 약물은 아직까지 임상 실험 수준의 단계이며, 현재 최종적으로 FDA 승인을 받은 약제는 없는 상황이다. 때문에 근감소증 치료를 위해서 일부 선택적 안드로겐 수용체 모듈러(selective androgen receptor modulator), 엑티빈 수용체 안타고니스트(activin receptor antagonist), 빠른 골격근 트로포닌 억제제(fast skeletal muscle troponin inhibitor) 등을 근감소증 치료제로 개발하려는 노력들은 있으나, 현재 초기 임상을 시도하는 수준이다. 현재 상기 근감소증의 치료 방법으로는 주로 근감소증의 일종인 근육세포의 퇴행 또는 진행성 변이에 의해 유발되는 근위축증을 억제하는 방법이 사용되고 있다.
한편, 편도 중간엽 줄기세포 (Tonsil-mesenchymal stem cell)는 목의 안쪽과 코의 뒷부분에 위치하여 외부에서 침입하는 세균 등의 물질로부터 일차적으로 우리 몸을 방어함과 동시에 림프 상피 면역 조직으로 작용을 수행하는 조직인 편도에서 유래된 자기 복제 능력을 가지면서 두개 이상의 새로운 세포로 분화하는 능력을 가진 미분화된 줄기세포를 의미한다. 편도 중간엽 줄기세포에 관하여는, 피부 염증 질환에 대한 치료 효능, 만성 염증성 장질환에 대한 치료 효능 등에 관하여 보고된 바가 있으나, 이를 기반으로 하는 엑소좀 연구는 아직까지 거의 진행된 바가 없다.
이러한 배경하에, 본 발명자들은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀이 타 유래 중간엽 줄기세포로부터 유래되는 엑소좀과 다른 특성을 가짐을 확인하였고, 이러한 특성을 기초로 근육 감소 관련 질환에 대해 우수한 치료 효과를 나타냄을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육 감소 관련 질환 예방 또는 치료용 약학 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육 감소 관련 질환 예방 또는 개선용 식품 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육량 증가 또는 근기능 개선용 식품 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육 감소 관련 질환 예방 또는 치료용 약학 조성물을 제공한다.
본 발명에 있어서, 편도 중간엽 줄기세포란 목의 안쪽과 코의 뒷부분에 위치하여 외부에서 침입하는 세균 등의 물질로부터 일차적으로 우리 몸을 방어함과 동시에 림프상피 면역조직으로 작용을 수행하는 조직인 편도에서 유래된 자기 복제 능력을 가지면서 두 개 이상의 새로운 세포로 분화하는 능력을 가진 미분화된 줄기세포를 의미한다.
본 발명에 따른 편도 중간엽 줄기세포는 타 유래 줄기세포와 대비하여 기원 조직인 편도의 획득이 용이하며 수술 후 버려지는 편도 조직의 재활용이 가능하고 초기 수득율이 매우 높다는 점에서 주입해야 하는 엑소좀을 추출할 수 있는 조정 배지의 양을 자유롭게 조절할 수 있다.
본 발명에 있어서, 편도 중간엽 줄기세포의 조정 배지는 개체로부터 분리, 배양 및 특수한 조작을 통해 제조된 것을 포함하며, 치료, 진단 및 예방의 목적으로 사용되는 의약품 또는 식품으로 사용될 수 있는 엑소좀을 추출할 수 있다.
본 발명에 있어서, 편도 중간엽 줄기세포는 당업계에 알려진 방법에 따라 편도로부터 추출 가능하다. 예컨대, 대한민국등록특허 제10-1508413호 등에 기재된 방법에 따라 편도로부터 추출가능하다.
편도 중간엽 줄기세포의 조정 배지는 편도 중간엽 줄기세포를 배양하고 세포를 제거한 후, 수득된 배양액, 배양 상층액 또는 이의 농축물이거나 이의 동결건조물일 수 있다.
편도 중간엽 줄기세포는 줄기세포 배양용 배지를 사용하여 통상적으로 배양될 수 있다. 편도 중간엽 줄기세포 배양액은 편도 조직으로부터 수득된 편도 중간엽 줄기세포를 혈청 또는 무혈철 배지에서 배양하여 수득된 것일 수 있다. 엑소좀 추출을 위한 조정 배지는 이를 원심분리나 필터를 이용한 여과에 의해 줄기세포 및 거대분자를 제거한 후에 수득된 상층액을 사용할 수 있다. 또한, 수득된 상층액은 그대로 사용하거나 또는 농축하여 수득된 농축물로 엑소좀 추출에 사용할 수 있다.
편도 중간엽 줄기세포의 배양을 위한 배양용 배지 및 배양 조건은 본 발명이 속하는 기술분야에서 잘 알려져 있으며, 통상의 지식을 가진 자가 적절하게 선택하거나 변형하여 이용할 수 있다.
본 발명에 있어서, "엑소좀(exosome)"이란 다양한 세포들로부터 분비되는 막 구조의 작은 소낭을 말한다. 엑소좀은 전자 현미경을 통한 연구에서 원형질막으로부터 직접 떨어져 나가는 것이 아니라 다낭체(multivesicular bodies, MVBs)라고 불리는 세포 내 특정 구획에서 기원하며 세포 밖으로 방출, 분비되는 것으로 관찰되었다. 즉, 다낭체와 원형질막의 융합이 일어나면, 소낭들은 세포 밖 환경으로 방출되는데, 이것을 엑소좀이라고 부른다. 이러한 엑소좀이 어떤 분자적 기작에 의해 만들어지는지 확실히 밝혀진 바가 없으나, 적혈구 세포뿐만 아니라, B-림프구, T-림프구, 수지상 세포, 혈소판, 대식 세포 등을 포함한 다양한 종류의 면역 세포들과 종양포, 줄기세포 등도 살아 있는 상태에서 엑소좀을 생산하여 분비한다고 알려져 있다. 상기 엑소좀은 자연적으로 분비된 것이거나, 혹은 인공적으로 분비된 것을 포함한다.
본 발명에 따른 엑소좀은 편도 중간엽 줄기세포 유래의 엑소좀이다.
본 발명에 있어서, 상기 편도 중간엽 줄기세포 유래의 엑소좀은 직경이 10nm 내지 300 nm일 수 있다. 상기 엑소좀은 바람직하게는 직경이 40nm 내지 200nm, 더 바람직하게는 50 nm 내지 150nm일 수 있다.
상기 엑소좀(exosomes)은 40~200 nm 크기인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 엑소좀(exosomes)은 CD63 및 CD81 양성인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 엑소좀은 당업계에 알려진 엑소좀 추출 방법을 이용하여 수득할 수 있으며, 이에 제한되지는 않으나, 예를 들어 하기의 단계를 포함하는 추출 방법에 의하여 수득할 수 있다:
1) 편도 중간엽 줄기 세포를 배양하는 단계;
2) 상기 편도 중간엽 줄기 세포 배양 상층액을 회수하는 단계;
3) 상기 회수한 세포 배양 상층액을 원심분리하여 세포 잔여물을 제거하는 단계; 및
4) 상기 세포 잔여물이 제거된 세포 배양 상층액을 TFF(tangential flow filtration), 초원심분리(ultracentrifugation), 크기배제 크로마토그래피(size exclusion chromatography), 및 엑소좀 분리 키트(exosome isolation kit)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 이용하여 분리·정제된 엑소좀을 수득하는 단계.
상기 편도 중간엽 줄기세포의 배양에 있어서 산소 조건은 이에 제한되지는 않으나, 정상 산소 농도, 즉 21%의 산소(O2)가 공급되는 배양 조건일 수 있으며, 또는 저산소 세포 감작제(hypoxic cell sensitizer)를 세포 배양 배지에 첨가하지 않은 배양 조건일 수 있다.
상기 단계 1) 에서 일반 배양 배지는, 당업계에 통상적으로 사용되는 세포 배양용 배지는 모두 사용 가능하며, 이에 제한되지는 않으나, DMEM(Dulbecco's modified eagle medium) 배지, MEM(minimal essential medium)배지, 또는 RPMI 1640(Rosewell Park Memorial Institute 1640) 배지일 수 있다.
또한, 상기 세포 배양 배지에는 필요에 따라 한 가지 이상의 보조성분을 첨가할 수 있는데, 이러한 보조성분으로는 태아 송아지, 말 또는 사람 등의 혈청을 비롯하여, 미생물의 오염을 막기 위한 페니실린 G(penicilli G), 스트렙토마이신 설페이트(sterptomycin sulfate) 및 젠타마이신(gentamycin) 등의 항생제, 암포테리신 B(amphotericin B) 및 니스타틴(nystatin) 등의 항진균제(antifungal agent) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 성분 중 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 편도 중간엽 줄기세포로부터 엑소좀을 추출을 위한 배양에 있어서는 필요에 따라 무혈청(serum-free), 무항생제(antibiotic-free), 무페놀레드(phenol red-free)인 배지로 교체 및 배양을 추가로 더 포함할 수 있다. 즉 일반 배양 배지에서 배양을 수행한 후 무혈청 배지 등으로 배지를 교환하여 배양을 추가로 수행한 후에 단계 2)를 진행하는 것일 수 있다.
상기 단계 2)의 배양 상층액의 회수는 배양 배지, 즉 조건 배지를 회수하는 것일 수 있다. 회수한 세포 배양 상층액에는 세포 잔여물 및 줄기세포로부터 분비된 엑소좀이 포함되어 있으며, 상기 단계 3)에서 원심분리함에 따라 세포 배양 상층액에 포함되어 있는 세포 잔여물을 제거할 수 있다.
이러한 세포 잔여물을 제거한 후에, 세포 배양 상층액을 TFF(tangential flow filtration), 초원심분리(ultracentrifugation), 크기배제 크로마토그래피(size exclusion chromatography), 및 엑소좀 분리 키트(exosome isolation kit)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 이용하여 분리·정제된 엑소좀을 수득할 수 있다.
본 발명에 따른 엑소좀은 다른 유래 중간엽 줄기세포의 엑소좀과 달리 miR-145-5p를 다량함유한다.
hsa-miR-145-5p는 서열번호 1의 염기서열을 가진다:
GUCCAGUUUUCCCAGGAAUCCCU
즉, 본 발명에 따른 약학 조성물의 엑소좀은 서열번호 1의 hsa-miR-145-5p를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에서 용어 “예방”이란 본 발명에 따른 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀의 투여로 근육 감소 관련 질환의 발병을 억제 또는 지연시키는 모든 행위를 말한다. 본 발명에서 용어 “치료”는 본 발명에 따른 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀의 투여로 근육 감소 관련 질환의 증세가 호전되거나 이롭게 변경하는 모든 행위를 말한다. 본 발명에서 용어 "개선"이란 본 발명의 조성물을 개체에 투여하거나 섭취시켜 근육 감소 관련 질환의 나쁜 상태를 좋게 하는 모든 행위를 의미한다.
'근육세포'는 인간을 포함하는 포유동물의 근육을 구성하는 세포들을 총칭하는 것으로, 근세포(myocyte), 근관 또는 근관세포 (myotube), 근섬유, 또는 이들 모두를 의미하는 것일 수 있고, '근육세포 분화'는 근아세포 (myoblast)로부터 근육세포 (근세포, 근관, 및/또는 근섬유)가 생성되는 것 또는 이에 수반되는 일련의 과정을 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 조성물은 위와 같은 근육 세포의 소실과 관련된 증상 및 질환에 대해 개선된 치료 및 예방 효과를 나타낸다.
본 발명에 있어서, 근육 감소 관련 질환은 근육 감소와 관련된 모든 증상들 및 이에 의하여 유발되는 모든 질병들 중에서 선택된 질병 또는 상기 질병의 증상을 포함하며, 근기능 저하, 근육 소모 또는 근육 퇴화 등의 원인으로 인한 근육의 감소와 관련된 질환을 언급한다. 즉, 근육 감소 관련 질환은 근기능 저하, 근육 소모 또는 근육 퇴화의 원인으로 인한 근육의 감소 증상을 나타내는 것일 수 있다.
보다 구체적으로, 근감소증(sarcopenia), 근위축증(muscular atrophy), 근무력증(myasthenia), 근이영양증(muscular dystrophy), 근육긴장증(myotonia), 근긴장 저하(hypotonia), 근력 약화(muscular weakness), 근육퇴행위축(muscular dystrophy), 근위축성 측삭경화증(amyotrophic lateral sclerosis) 및 악액질(cachexia)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 질환일 수 있다.
본 발명의 일실시양태에 따르면, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 CD63 및 CD81 발현하여 엑소좀의 특성을 나타낸다.
본 발명의 일실시양태에 따르면, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 100 nm 미만의 직경을 가지는 특성을 나타낸다.
본 발명의 일실시양태에 따르면, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 타유래 중간엽 줄기세포와 대비하여 has-miR-145-5p를 엑소좀의 구성요소로 다량 함유한다.
본 발명의 일실시양태에 따르면, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 근육 감소 관련 질환 동물 모델에서 몸무게 감소 및/또는 근골격 손실에 대한 회복 효과를 나타낸다.
본 발명의 일실시양태에 따르면, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 근골격 관련 세포 또는 근골격의 질량, 부피, 및/또는 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일실시양태에 따르면, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 근육 세포의 분화 효능을 증진시킨다.
본 발명의 일실시양태에 따르면, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 근육 감소 질환에서 나타나는 조직학적 특성인 근육 섬유의 소실과 증가된 내재화된 핵을 회복하는 효과를 나타낸다.
본 발명의 일실시양태에 따르면, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 근육량에 대한 음성 조절자로 작용하며 근관세포 분화에 영향을 미칠 수 있는 Activin A에 대한 발현을 억제한다.
본 발명의 일실시양태에 따르면, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 근육 위축 유전자로 알려진 MuRF1과 Atrogin1의 발현을 억제한다.
본 발명의 일실시양태에 따르면, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 has-miR-145-5p을 다량 함유하며, has-miR-145-5p를 통해 액티빈 A 수용체인 ACVR2A(Activin A Receptor Type 2A) 및 ACVR1B(Activin A Receptor Type 1B)에 직접 결합하여 액티빈 A의 활성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일실시양태에 따르면, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 근육 세포에서 근관 세포 형성을 증진시킬 수 있다.
본 발명의 일실시양태에 따르면, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 근육 섬유 형성과 관련된 MyoD 및 MYH1의 발현을 증진시켜, 근육 섬유 형성을 증진시킬 수 있다.
본 발명의 일실시양태에 따르면, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 ACVR2A 및 ACVR1B의 발현을 저해하여 액티빈 A의 활성을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 약학 조성물은 통상의 방법에 따라 액제, 현탁액, 에멀젼, 로션, 연고, 동결건조제 등 다양한 제형으로 제제화될 수 있다.
본 발명의 약학 조성물은 약학적 분야의 통상의 방법에 따라 환자의 신체 내 투여에 적합한 단위투여형의 약학적 제제로 제형화시켜 투여할 수 있으며, 상기 제제는 1회 또는 수회 투여에 의해 효과적인 투여량을 포함한다. 이러한 목적에 적합한 제형으로는 비경구투여 제제로서 주사제, 주입제 등이 바람직하다. 또한, 상기 암 예방 또는 치료용 약학 조성물은 약학적으로 허용가능한 통상의 불활성 담체 및 희석제를 포함할 수 있다. 본 발명의 약학 조성물에 포함될 수 있는 약학적으로 허용가능한 담체 및 희석제는 전분, 당, 및 만니톨과 같은 부형제, 칼슘 포스페이트 등과 같은 충전제 및 증량제, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스 등과 같은 셀룰로오스 유도체, 젤라틴, 알긴산염, 및 폴리비닐 피롤리돈 등과 같은 결합제, 활석, 스테아린산 칼슘, 수소화 피마자유 및 폴리에틸렌 글리콜과 같은 윤활제, 포비돈, 크로스포비돈과 같은 붕해제, 폴리소르베이트, 세틸알코올, 및 글리세롤 등과 같은 계면활성제를 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 약학적으로 허용되는 담체 및 희석제는 이를 이식받을 수혜자에 대해 생물학적 및 생리학적으로 친화적인 것일 수 있다. 희석제로는 이에 한정되지 않으나, 염수, 수용성 완충액, 용매 및/또는 분산제(dispersion media)를 들 수 있다. 이외에도, 예를 들어, 주사제의 경우에는 보존제, 무통화제, 가용화제 또는 안정화제 등을, 국소투여용 제제의 경우에는 기제(base), 부형제, 윤활제 또는 보존제 등을 추가로 포함할 수 있다. 본 발명의 조성물은 동결되지 않은 채 사용되거나 차후 사용을 위해 동결될 수 있다. 동결되어야 할 경우, 표준 냉동보존제 (예를 들어 DMSO, 글리세롤, 에피라이프 (Epilife®) 세포 동결 배지 (Cascade Biologics))가 동결 전 세포 집단에 첨가될 수 있다.
또한, 당업계에서 통상적으로 사용하는 투여방법을 이용하여 투여될 수 있으며, 바람직하게는 치료가 필요한 환자의 질환 부위에 직접 투여가 가능하나 이에 한정되지는 않는다. 또한, 상기 투여는 카테터를 이용한 비외과적 투여 및 질환부위 절개 후 주입 등 외과적 투여방법 모두 가능하다. 투여량은 농축 정도에 따라 그 투여량이 달라질 수 있으나 10 μl/kg 내지 1 ml/kg 체중을 1회 또는 수회로 나누어 투여할 수 있다. 예를 들어 엑소좀은 본 발명의 조성물 내에 대략 1 ~ 150㎍/ml, 또는 1 ~ 100㎍/ml의 양으로 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 엑소좀은 예를 들어 1 X 107~ 1 X 1012/ml의 입자 수로 포함되고 적용되는 대상체에 따라 적절히 이의 투여량이 변경되어 투여될 수 있다. 유효성분의 실제 투여량은 치료하고자 하는 질환, 질환의 중증도, 투여경로, 환자의 체중, 연령 및 성별 등의 여러 관련 인자에 비추어 결정되어야 하는 것으로 이해되어야 하며, 따라서, 상기 투여량은 어떠한 면으로든 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 이를 필요로 하는 대상체에 투여하는 단계를 포함하는 근육 감소 관련 질환의 치료 방법을 제공한다.
본 발명은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 이를 필요로 하는 대상체에 투여하는 단계를 포함하는 근육 운동능력 증진 또는 개선 방법을 제공한다.
본 발명은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 이를 필요로 하는 대상체에 투여하는 단계를 포함하는 근육 감소 억제 또는 근육 증가 방법을 제공한다.
본 발명에 "편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀", "근육 감소 관련 질환", "투여" 등의 용어는 상기에서 설명한 바와 동일하다.
상기 대상체는 동물을 말하며, 전형적으로 본 발명의 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 이용한 치료로 유익한 효과를 나타낼 수 있는 포유동물일 수 있다. 이러한 대상체의 바람직한 예로 인간과 같은 영장류가 포함될 수 있다. 또한 이와 같은 대상체들에는 근육 감소 관련 질환의 증상을 갖거나 이와 같은 증상을 가질 위험이 있는 대상체들이 모두 포함될 수 있다.
본 발명은 또한 근육 감소 관련 질환의 치료를 위한 약제의 제조에서 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀의 용도를 제공한다.
본 발명은 또한 근육 감소 관련 질환의 치료에 사용하기 위한 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 조성물을 제공한다.
본 발명은 또한 근육 감소 관련 질환의 치료를 위한 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀의 용도를 제공한다.
본 발명은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육 감소 관련 질환 예방 또는 개선용 식품 조성물을 제공한다.
본 발명은 또한 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육량 증가 또는 근기능 개선용 식품 조성물을 제공한다.
본 명세서에서, '근육 운동능력 증진 또는 개선'은 소실되거나 감소된 근육 운동능력의 회복 및/또는 향상, 및/또는 근육 운동능력의 강화를 의미할 수 있다.
"근"은 심줄, 근육, 건을 포괄적으로 지칭하고, "근 기능"은 근육의 수축에 의해 힘을 발휘하는 능력을 의미하며, 근육이 저항을 이겨내기 위하여 최대한으로 수축력을 발휘할 수 있는 능력인 근력, 근육이 주어진 중량에 얼마나 오랫동안 또는 얼마나 여러 번 수축과 이완을 반복할 수 있는지를 나타내는 능력인 근지구력, 단시간 내에 강한 힘을 발휘하는 능력인 순발력을 포함한다. 이러한 근 기능은 간이 주관하며, 근육량에 비례하고, "근 기능 개선"은 근 기능을 더 좋게 향상시키는 것을 의미한다.
위와 같은 근 기능의 개선 또는 근육량의 증가는 일상생활이나 스포츠에서 볼 수 있는 신체동작을 외형적으로 달리기, 뛰기, 던지기, 헤엄치기 등으로 구분할 때, 상기 동작을 빠르게, 강하게, 정확하게, 오래, 능숙하게 할 수 있는 정도를 나타내는 것으로, 운동수행능력은 근력, 민첩성 및 지구력 등의 인자로 규정될 수 있다. 이러한 운동 수행능력의 향상은 근력, 근지구력과 같은 근 기능 향상 효과를 의미하는 것이며, 바람직하게는 근력 또는 근지구력이 증가되는 것이다. 또한, 운동 수행 가능 시간(exercise endurance) 증가, 근력 강화, 균형 감각 증진, 및/또는 운동적응 능력(exercise adaptation) 증진 효과를 포함하는 것일 수도 있다.
본 발명은 통상적으로 이용되는 식품으로써 일반적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 식품 조성물은 건강기능식품으로서 사용될 수 있다. 상기 "건강기능식품"이라 함은 건강기능식품에 관한 법률에 따른 인체에 유용한 기능성을 가진 원료나 성분을 사용하여 제조 및 가공한 식품을 의미하며, "기능성"이라 함은 인체의 구조 및 기능에 대하여 영양소를 조절하거나 생리학적 작용 등과 같은 보건 용도에 유용한 효과를 얻을 목적으로 섭취하는 것을 의미한다.
본 발명의 식품 조성물은 통상의 식품 첨가물을 포함할 수 있으며, 상기 "식품 첨가물"로서의 적합 여부는 다른 규정이 없는 한, 식품의약품안전처에 승인된 식품 첨가물 공전의 총칙 및 일반시험법 등에 따라 해당 품목에 관한 규격 및 기준에 의하여 판정한다.
상기 "식품 첨가물 공전"에 수재된 품목으로는 예를 들어, 케톤류, 글리신, 구연산칼륨, 니코틴산, 계피산 등의 화학적 합성물, 감색소, 감초추출물, 결정셀룰로오스, 고량색소, 구아검 등의 천연첨가물, L-글루타민산나트륨 제제, 면류첨가알칼리제, 보존료제제, 타르색소제제 등의 혼합제제류들을 들 수 있다.
본 발명의 식품 조성물은 조성물 총 중량에 대하여 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀를 0.01 내지 95 중량%, 바람직하게는 5 내지 90 중량%로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 식품 조성물은 암의 예방 및/또는 개선을 목적으로, 정제, 캡슐, 분말, 과립, 액상, 환 등의 형태로 제조 및 가공할 수 있다.
예를 들어, 캡슐 형태의 건강기능식품 중 경질캡슐제는 통상의 경질캡슐에 본 발명에 따른 편도 중간엽 줄기세포의 엑소좀, 및 부형제 등의 첨가제와의 혼합물을 충진하여 제조할 수 있으며, 연질캡슐제는 본 발명에 따른 식품 조성물 및 부형제 등의 첨가제와의 혼합물을 젤라틴 등 캡슐기제에 충진하여 제조할 수 있다. 상기 연질캡슐제는 필요에 따라 글리세린 또는 소르비톨 등의 가소제, 착색제, 보존제 등을 함유할 수 있다.
상기 부형제, 결합제, 붕해제, 활택제, 교미제, 착향제 등에 대한 용어 정의는 당업계에 공지된 문헌에 기재된 것으로 그 기능 등이 동일 내지 유사한 것들을 포함한다 (대한약전 해설편, 문성사, 한국약학대학협의회, 제 5 개정판, p33-48, 1989).
상기 식품의 종류에는 특별한 제한이 없으며, 통상적인 의미에서의 건강기능식품을 모두 포함한다.
본 발명의 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 miR-145-5p를 높은 함량으로 함유하며, 근골격의 소실 감소를 회복하고, 근육 섬유 소실 및 근관 세포 형성 억제에 대한 회복 효과를 가지며, 근육량에 대한 음성 조절자인 액티빈 A의 발현을 조절하고, 근육 섬유 형성 관련 유전자의 발현을 증진시키고 근육 위축 관련 유전자의 발현을 감소시킴으로써 근육 감소 관련 질환의 예방, 개선 및 치료와 운동 능력 개선에 우수한 효과를 가진다.
도 1은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀의 엑소좀 마커에 대한 면역 블롯팅 확인 결과를 나타낸다.
도 2는 주사전자현미경(SEM) 및 투과 전자 현미경(TEM)을 통해서 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀의 크기를 확인한 결과를 나타낸다.
도 3은 Bu-Cy 처리 동물 모델에서 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀(T-MSC exosome) 투여에 따른 체중 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 4는 Bu-Cy 처리 동물 모델에서 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀(T-MSC exosome) 투여에 따른 대퇴사두근의 근골격 중량 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 5는 Bu-Cy 처리 동물 모델에서 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀(T-MSC exosome) 투여에 따른 조직학적 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 6은 Bu-Cy 처리 동물 모델에서 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀(T-MSC exosome) 투여에 따른 혈중 Activin A와 Murf1 및 Atrogin 1의 발현 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 7은 C2C12 세포에 Activin A 처리에 따른 근관 세포 형성 억제 효과를 나타낸다.
도 8은 C2C12 세포에 Activin A 처리에 따른 MyoD, Myh1, MuF1, Atrogin1의 발현 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 9는 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀(T-MSC exosome) 및/또는 와튼젤리 유래 중간엽 줄기세포의 엑소좀(WJ-MSC 엑소좀)의 miR-145-5p의 발현 수준을 확인한 결과를 나타낸다.
도 10은 miR-145-5p 표적 서열을 예측하여 ACVR2A, ACVR1B에 대한 작용 가능성을 확인한 결과를 나타낸다.
도 11은 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀(T-MSC exosome)의 세포 독성을 C2C12 세포에서 확인한 결과를 나타낸다.
도 12는 C2C12 세포에 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀(T-MSC exosome)과 Activin A 처리에 따른 근관 세포 형성 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 13은 C2C12 세포에 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀(T-MSC exosome)과 Activin A 처리에 따른 Myh1, ACVR2A, ACVR1B의 발현 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 14는 C2C12 세포에 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀(T-MSC exosome)과 miR-145-5p 억제제 처리에 따른 근관 세포 분화 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 15는 C2C12 세포에 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀(T-MSC exosome)과 miR-145-5p 억제제 처리에 따른 ACVR2A, ACVR1B, MyoD, Myh1, Atrogin 1의 발현 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 16은 Bu-Cy 처리 동물 모델에 중간엽 줄기세포의 엑소좀(T-MSC exosome)과 miR-145-5p 억제제 처리에 따른 체중 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 17은 Bu-Cy 처리 동물 모델에 중간엽 줄기세포의 엑소좀(T-MSC exosome)과 miR-145-5p 억제제 처리에 따른 대퇴사두근의 근골격 중량 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 18은 Bu-Cy 처리 동물 모델에 중간엽 줄기세포의 엑소좀(T-MSC exosome)과 miR-145-5p 억제제 처리에 따른 조직학적 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 19는 Bu-Cy 처리 동물 모델에서 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀(T-MSC exosome)과 miR-145-5p 억제제 처리에 따른 Murf1, Atrogin 1, ACVR2A, ACVR1B의 발현 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예, 제조예를 제시한다. 하기의 실시예, 제조예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예, 제조예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 편도 중간엽 줄기세포로부터 엑소좀 분리
엑소좀을 분리하기 위해 편도 유래 중간엽 줄기세포-조건 배지(T-CM)를 생성하였다. 확립된 편도 유래 중간엽 줄기세포(T-MSC)를 100mm 조직 배양 플레이트에서 대략 80 ~90 % 정도 찰 때까지 배양하였고, 세포를 인산염 완충 식염수(PBS)로 4회 세척하였으며, 배지를 무혈청 DMEM으로 교체하였다. 48시간 배양 후 배지를 회수하여 1,300 rpm에서 5분간 원심분리한 후 0.2μm 필터를 통과시켰다. 조건 배지(CM)을 원심 여과(cut-off of 3K, Amicon Ultra-15, Millipore, Bedford, MA, USA)에 의해 원래 농도의 20배까지 농축하였다. 그 후, 1/5 부피의 ExoQuick-TC 시약(System Biosciences, Palo Alto, CA, USA)을 T-CM에 첨가하고 혼합하였다. 4°C에서 밤새 배양한 후, 혼합물을 4°C에서 30분 동안 1,500×g에서 원심분리하였다. 상층액을 제거하고 상온에서 5분간 최종 원심분리하였다. 엑소좀 펠릿을 PBS에 재현탁하고, BCA 단백질 분석 키트(Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)를 사용하여 정량화하고, -80°C에서 보관하였다.
<실시예 2> 편도 중간엽 줄기세포로부터 분리된 엑소좀의 확인
상기 실시예 1에서 제조된 엑소좀을 엑소좀 마커의 면역블롯팅과 주사전자현미경(SEM) 및 투과 전자현미경(TEM)을 통해 확인하였다.
구체적으로, 엑소좀 마커 CD63 및 CD81의 발현을 확인하기 위해 면역블롯을 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀 및 편도 중간엽 줄기세포 용해물에 대해 수행하였다. 레인당 5 μg의 엑소좀 및 편도 중간엽 줄기세포 단백질을 로딩하고, 블롯팅된 멤브레인을 CD63(ab193349, Abcam, Cambridge, UK) 및 CD81(sc-166029, Santa Cruz Biotechnology, Santa Cruz, CA, USA)에 대항하는 항체로 밤새 배양하였다. 세척 후, 멤브레인을 이차 항체(항-마우스 IgG, Sigma Aldrich)로 배양하였다. 이미지는 SuperSignal West Femto Substrate(Thermo Fisher Scientific)를 사용하여 현상하였고 ImageQuant LAS 3000(GE Healthcare, Little Chalfont, UK)을 사용하여 스캔하였다.
그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에 의해 분리된 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 CD63 및 CD81 발현 특징을 나타내어 엑소좀의 특성을 보이는 것이 확인되었다.
또한, 주사전자현미경(SEM)으로 확인을 위하여, 희석된 엑소좀을 폴리 L-라이신 커버 유리에 떨어뜨리고 30분 동안 0.25% 글루타르알데히드를 프리픽스(prefixed)하였다. PBS로 여러 번 세척한 후, 최종 고정시키기 위해 샘플을 1% osmium tetroxide에 30분 동안 보관하였다. 이어서, 에탄올로 연속 희석하고 임계점 건조(CPD)를 통해 샘플을 세척하고 탈수하였다. 마지막으로 샘플을 스텁에 장착하고 금으로 스퍼터 코팅한 다음, SEM Sigma-300(ZEISS, 독일)으로 검사하였다.
또한, 투과 전자 현미경(TEM)으로 확인을 위하여, 정제된 엑소좀을 PBS에서 1:1000으로 희석하였다. 5 μl에 희석된 엑소좀을 Formvar-carbon 코팅된 전자 현미경(EM) 그리드에 떨어뜨렸다. 그리드를 2% 우라닐 아세테이트로 염색하고 여과지를 사용하여 제거하였다. 마지막으로 H-7650 TEM(Hitachi, Tokyo, Japan)을 사용하여 80 kV의 전압에서 그리드를 관찰하였다. 스케일 바가 제공되는 디지털 이미지는 70,000-200,000 X의 배율로 캡처하였다.
상기 결과를 도 2의 (A, SEM) 및 (B, TEM)에 각각 나타내었다.
도 2의 주사 전자 현미경 및 투과 전자 현미경에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 엑소좀의 직경이 100 nm 미만인 것을 확인하였다.
<실시예 2> 근감소 모델에서 T-MSC 엑소좀 처리에 따른 치료 효과 확인
8주령 암컷 BALB/c 마우스를 OrientBio(음성군, 한국)에서 구입하였다. 모든 동물은 병원균이 없는(pathogen-free) 조건 하에 21-23°C의 온도와 51-54% 습도에서 유지했으며, 12시간의 명암 주기동안 음식과 물에 자유롭게 접근할 수 있었다. 12시간 명암 주기로. 모든 절차는 이화여자대학교 의과대학 동물보호 및 이용위원회(EUM 20-015)의 승인을 받았다.
암컷 BALB/c 마우스는 4일 동안 매일 부설판(Bu, 20 mg/kg/일)을 받은 다음, 복강 내 주사를 통해 2일 동안 매일 사이클로포스파미드(Cy, 100 mg/kg/일)를 투여하였다. 화학 요법 중 3일째에, 마우스의 측면 꼬리 정맥을 통해 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀(30 μg/마우스)을 주사하였다. 마지막 시클로포스파미드 주사 후 4-5일에 마우스를 희생시켰다. 실험 기간 동안 모든 마우스를 매일 검사하였고 체중 감소를 기록하였다. 실험이 끝나는 시점에서 마우스를 희생시키고 대퇴사두근(quadricep)의 질량을 측정하고 조직학 및 유전자 발현을 포함한 추가 평가를 수행하였다.
상기 결과를 도 3 내지 도 6에 나타내었다.
도 3은 실험 일정 동안 확인된 마우스의 몸무게 변화를 확인한 결과를 나타낸다. 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, Bu-Cy 주입 후 4일까지 급격한 체중 감소가 관찰되었지만, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀이 주입된 Bu-Cy 마우스는 경미한 체중 감소를 보였다.
도 4는 골격근 손실을 확인하기 위한 대퇴사두근(quadricep)의 질량을 측정한 결과를 나타낸다. 근육량은 Bu-Cy 처리에 의해 감소되었지만, 본 발명에 따른 엑소좀은 화학 요법으로 유발된 근육 소실을 유의하게 회복하였다.
도 5는 이러한 결과를 조직학적 분석을 통해 확인한 결과를 나타낸다. 구체적으로, 마우스의 대퇴사두근(quadricep) 표본을 4% 포름알데히드로 고정하고 파라핀에 박은 후, 섹션(5 μm 두께)을 슬라이드에 장착하고 조직학적 평가를 위해 헤마톡실린 및 에오신(H&E)으로 염색하였다. 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 대퇴사두근 근육 조직은 Bu-Cy 마우스에서 근육 섬유의 소실과 증가된 내재화된 핵을 나타냈지만, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 근육 소실을 회복한 결과를 나타내었다.
또한, 액티빈 A 는 근육량의 음성 조절제이고 화학 요법 동안 액티빈 A의 상승된 수준이 보고되기 때문에 이와 함께 근육 위축 유전자로 알려진 MuRF1과 Atrogin1의 발현 변화를 확인하였다. 구체적으로, 순환하는 액티빈 A를 검출하기 위해, 실험이 끝나는 시점에 정상 BALB/c 마우스, Bu-Cy 처리된 마우스 및 엑소좀 주사된 Bu-Cy 마우스로부터 혈청을 수집하였다. 액티빈 A의 수준은 제조업체의 지침에 따라 인간/쥐/마우스 액티빈 A 면역분석 키트(R&D Systems, Minneapolis, MN, USA)를 사용하여 결정하였다.
또한, 근육 관련 유전자 검출을 위해, 실험용 마우스 대퇴사두근을 채취한 후 TRIzol(Thermo Fisher Scientific)을 사용하여 RNA를 추출하였다. 제조사의 지시에 따라 역전사 시약(ELPIS-Biotech, 대전, 한국)을 사용하여 상보적 DNA를 합성하였다. 실시간 PCR 분석은 이전에 설명한 대로 수행하였다. 모든 유전자 발현 값(MuRF1 및 Atrogin1)은 GAPDH 참조 유전자에 대해 정규화하였다.
위 실험에 사용된 프라이머 서열은 다음과 같다:
상기 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6의 (A)에서 볼 수 있듯이 Bu-Cy 처리는 순환하는 액티빈 A를 유의하게 증가시켰다. 또한, 근육 위축 유전자로 알려진 MuRF1과 Atrogin1의 발현 또한 함께 증가하였다(도 6의 (B) 및 (C)). 반면, 엑소좀의 처리에 따라 MuRF1, Atrogin1 발현이 유의하게 감소하였다.
<실시예 3> 액티빈 A의 근관세포 분화 억제 확인
위 확인할 수 있는 바와 같이, 액티빈 A가 MuRF1 및 Atrogin1의 발현에 영향을 미치는 것을 확인하고, C2C12 세포의 근관세포로의 분화 능력에 대한 액티빈 A의 효과를 확인하였다.
구체적으로, C2C12 마우스 근아세포는 20% 소태아혈청(FBS; Welgene), 100U/ml 페니실린 및 100㎍/ml 스트렙토마이신이 보충된 Dulbecco's Modified Eagle Medium(DMEM; Welgene, 대구광역시, 한국)으로 구성된 성장 배지에서 5% CO2 하에 37℃의 온도에서 배양하였다. 90% 컨플루언시(confluency) 세포는 2% horse serum (HS; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA), 페니실린 및 스트렙토마이신을 함유하는 DMEM에서 5-7일 동안 배양하여 근관세포(myotubes)으로 분화시켰다. C2C12 세포 분화에 대한 액티빈 A(activin A) C2C12 세포 분화에 미치는 영향을 관찰하기 위해, 분화 기간의 첫번째 날에 50 ng/ml 액티빈 A로 세포를 처리하였다.
도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이, 분화 기간 동안 50 ng/ml의 액티빈 A가 첨가되었을 때, 근육 섬유 형성은 처리되지 않은 대조군 C2C12 세포와 비교하여 감소하였다.
또한, 실시예 2와 유사하게 실시간 PCR 분석을 통해 MyoD, Myh1, MurF1, Atrogin 1 등의 발현 변화를 확인하였다.
앞서는 실시예2에서의 프라이머 서열 이외에 추가된 프라이머 서열 정보는 아래와 같다:
그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 액티빈 A의 처리에 따라 섬유 형성이 잘 이루어지지 않은 세포의 경우 MyoD 및 MYH1의 현저하게 낮은 발현을 동반하였다. 또한, MuRF1 및 Atrogin1의 발현은 액티빈 A 처리에 의해 상향조절되었다.
이러한 결과를 통해서, 액티빈 A가 근관세포의 분화에 영향을 미치는 인자임을 확인하였다.
<실시예 4> 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀의 has-miR-145-5p 발현 확인
편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 생체 내에서 근육 손실과 관련 유전자 발현을 효율적으로 회복했기 때문에, miRNA와 같은 엑소좀 구성 요소가 근육량 조절에 작용할 수 있음을 착안하였다.
이에 따라, microRNA(miRNA)의 경우, 제조사의 지시에 따라 Exo2D for RNA assay kit(Exosome Plus, 경기도, 한국)를 사용하여 T-CM에서 엑소좀 RNA를 분리하였다. 다음으로, miRNA를 폴리아데닐화한 후 제조업체의 지침에 따라 MystiCq MicroRNA cDNA 합성 믹스 키트(Sigma-Aldrich)를 사용하여 상보적 DNA(cDNA)로 변환하였다. SensiFAST SYBR Hi-ROX 키트(Bioline, London, UK)를 사용하여 StepOnePlus 기기(Applied Biosystems, Foster City, CA, USA)에서 실시간 PCR 분석을 수행하였다. MicroRNA 145-5p 발현을 대조군 miRNA인 RNU6-1에 대해 정규화하였다. 해당 결과를 도 9의 (A)에 나타내었다.
비교를 위하여, 와튼 젤리 유래 중간엽 줄기세포로부터 동일한 방식으로 엑소좀을 추출한 것을 비교예로 사용하였다.
그 결과를 도 9 (B)에 나타내었다.
도 9의 (B)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 엑소좀 miRNA, has-miR-145-5p를 포함하는 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀의 독특한 프로파일을 나타내었다.
즉, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 has-miR-145-5p의 구성적 발현을 보여주었으며 발현은 Wharton’s jelly MSC의 엑소좀에 비해 상당히 높았다.
근육량 조절의 기초가 될 수 있는 분자 메커니즘을 추가로 탐색하기 위해 TargetScanHuman 7.2 데이터베이스(http://www.targetscan.org/vert_72/)를 사용하여 추정되는 miR-145-5p 표적 서열을 예측하였다.
그 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10의 (A)에서 확인할 수 있는 바와 같이, has-miR-145-5p의 시드 서열은 ACVR2A 및 ACVR1B의 3‘ 비번역 영역(UTR)과 완벽하게 일치하여 액티빈 A 수용체가 has-miR-145-5p의 잠재적 표적임을 확인하였다. 또한, 도 10의 (B)를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, has-miR-145-5p의 잠재적 결합 부위가 포유류 ACVR2A 및 ACVR1B 유전자 사이에서 고도로 보존되어 있음을 함께 확인하였다. 이러한 결과는 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀의 has-miR-145-5p가 근육의 액티빈 A 수용체 매개 반응에 영향을 미칠 수 있음을 보여준다.
<실시예 5> 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀 처리에 따른 액티빈 A에 의해 유도된 근육 분화 장애 극복 확인
편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀의 근육량의 유지 효과를 확인하기 위하여, C2C12 근아세포의 근육 분화 실험을 수행하였다.
엑소좀을 처리하기 앞서, 세포 생존력을 측정하여 잠재적 독성을 확인하고, 이를 도 11에 나타내었다. 도 11에서 확인할 수 있는 바와 같이, 다양한 농도의 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀으로 처리된 C2C12 세포는 100%로 설정된 처리되지 않은 C2C12 세포와 비교하여 100% 이상 증가된 세포 생존력을 가졌다.
그리고 나서, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀이 액티빈 A의 존재 하에 근육 분화를 개선하는지를 확인하였다.
C2C12 근아세포는 분화를 시작하고 분화 첫날에 50ng/ml 액티빈 A 및 다양한 농도의 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀(0.5, 1, 5, 10 ㎍/ml)으로 처리하였다.. 그 결과를 도 12에 나타내었다.
도 12에서 확인할 수 있는 바와 같이, 5일 후, 액티빈 A 단독으로 처리된 세포는 근관세포(myotube)의 제한된 형성을 보였다. 반대로, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀에 노출된 세포는 액티빈 A가 있는 경우에도 풍부한 근관세포(myotube)를 형성하였다.
또한, 골격근 마커인 MYH1와 ACVR2A 및 ACVR1B의 발현 변화를 실시간 PCR을 통해 확인하고, 이를 도 13에 나타내었다.
앞서는 실시예들에서의 프라이머 서열 이외에 추가된 프라이머 서열 정보는 아래와 같다:
도 13에서 확인할 수 있는 바와 같이, MYH1 골격근 마커의 발현은 액티빈 A 노출 하에 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀으로 처리된 C2C12 세포에서 회복하였다. 특히, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀이 5 μg/ml의 농도에서 MYH1 발현을 가장 효과적으로 증가시켰다.
또한 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀에 있는 has-miR-145-5p의 풍부함과 액티빈 A 수용체인 ACVR2A 및 ACVR1B에 대한 잠재적 관련성을 고려하여, 24시간 동안 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀으로 처리된 C2C12 세포에서 ACVR2A 및 ACVR1B의 발현을 확인하였다. 그 결과, ACVR2A 및 ACVR1B가 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀이 추가된 C2C12 세포에서 상당히 하향조절되었음을 보여준다.
따라서 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 근육 분화를 증진시키며, 특히 액티빈 A 수용체 발현을 조절함으로써 액티빈 A에 의해 유발된 손상된 근육 분화를 개선할 수 있음을 확인하였다.
<실시예 6> 엑소좀의 has-miR-145-5p 활성을 통한 액티빈 A에 대한 근육 반응 조절 확인
has-miR-145-5p가 근육 분화를 지지하는 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀에서 핵심적인 역할을 하는지 여부를 확인하기 위하여, has-miR-145-5p 특이적 억제제((바이오니아, 대전)를 사용하였을 때 근관 세포 형성 변화를 확인하였다.
그 결과를 도 14에 나타내었다. 도 14에서 확인할 수 있는 바와 같이, has-miR-145-5p 억제제의 처리는 근관세포(myotube) 형성에 대한 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀의 지지 효과를 억제하였다.
또한, 도 15에서 확인할 수 있는 바와 같이, ACVR2A. ACVR1B, MyoD, Myh1에서 has-miR-145-5p 특이적 억제제 처리는 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀 유도 유전자 발현을 유의하게 역전시켰다. 또한, Atrogin1 발현은 has-miR-145-5p 의존적 방식으로 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀에 의해 하향조절되었다.
이러한 결과는 has-miR-145-5p 활성을 통한 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀에 의한 액티빈 A 수용체, ACVR2A 및 ACVR1B의 감소된 발현과 상관관계가 있음을 보여준다.
<실시예 7> 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀 처리에 따른 생체 내(
in vivo
) 체중 감소 및 골격근 손실 회복 확인
Bu-Cy 치료 동안 miR-145-5p 특이적 억제제가 보충된 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 주입하고, 앞서는 실시예 2와 유사하게 실험을 수행하였다.
체중 변화를 확인한 결과를 도 16에 나타내었다.
3일째에 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀과 비특이적 억제제(control)를 주사한 마우스는 마지막 Cy 처리 후 다음 날부터 체중 감소가 유의하게 억제되는 것으로 나타났다. 그러나 이러한 효과는 마지막 Cy 처리 2일 후부터 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀과 miR-145-5p 억제제를 투여받은 마우스에서 감소하였다. 특히, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀과 miR-145-5p 억제제의 공동 투여는 실험이 끝날 때 체중이 급격히 감소를 초래하였다.
또한, 도 17에서 확인할 수 있는 바와 같이, has-miR-145-5p 억제제와 병용된 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 또한 각 실험 마우스의 근육량을 손실 감소를 둔화시켰다.
또한, 도 18에 나타낸 바와 같이, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀 주입 마우스는 miR-145-5p의 활성이 정상적으로 유지되었을 때 Bu-Cy에 의해 유도된 근육 섬유 파괴가 최소화된 것을 확인할 수 있었다.
마지막으로, 도 19에 나타낸 바와 같이, Bu-Cy 처리된 마우스에서 has-miR-145-5p 특이적 억제제 및 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀의 공동 투여는 MuRF1 및 Atrogin1 위축 유전자의 발현을 역전시켰다. 또한, Bu-Cy로 처리된 마우스는 액티빈 A 수용체인 ACVR2A 및 ACVR1B에서 상당한 증가를 보여, 액티빈 A 반응성을 증가시킬 수 있음을 나타내었다.
상기 결과들을 통해 본 발명에 따른 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀이 근골격 손실에 대한 우수한 개선 효과를 나타냄을 확인하였다. 특히, 이러한 개선 효과는 타 유래 줄기세포 유래 엑소좀과 달리 has-miR-145-5p 의 발현 수준이 높음을 기초로 이루어진 것을 확인하였으며, 이러한 작용에 있어서는 액티빈 A 의 발현 수준 억제와 관련이 높음을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 본 발명에 따른 엑소좀이 근육 관련 질환의 치료제로 이용될 수 있음을 확인하였다.
Claims (12)
- 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육 감소 관련 질환 예방 또는 치료용 약학 조성물.
- 제1항에 있어서, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 서열번호 1의 hsa-miR-145-5p를 포함하는 것인 근육 감소 관련 질환 예방 또는 치료용 약학 조성물.
- 제1항에 있어서, 근육 감소 관련 질환은 근기능 저하, 근육 소모 또는 근육 퇴화의 원인으로 인한 근육의 감소 증상을 나타내는 것인, 근육 감소 관련 질환 예방 또는 치료용 약학 조성물.
- 제1항에 있어서, 근육 감소 관련 질환은 근감소증(sarcopenia), 근위축증(muscular atrophy), 근무력증(myasthenia), 근이영양증(muscular dystrophy), 근육긴장증(myotonia), 근긴장 저하(hypotonia), 근력 약화(muscular weakness), 근육퇴행위축(muscular dystrophy), 근위축성 측삭경화증(amyotrophic lateral sclerosis) 및 악액질(cachexia)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 질환인 근육 감소 관련 질환 예방 또는 치료용 약학 조성물.
- 제1항에 있어서, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 10nm 내지 300 nm의 직경을 가지는 것인, 근육 감소 관련 질환 예방 또는 치료용 약학 조성물.
- 제1항에 있어서, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 액티빈 A의 발현을 억제하는 것인, 근육 감소 관련 질환 예방 또는 치료용 약학 조성물.
- 제1항에 있어서, 조성물은 엑소좀을 1 X 107~ 1 X 1012/ml의 입자 수로 포함하는 것인, 근육 감소 관련 질환 예방 또는 치료용 약학 조성물.
- 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육 감소 관련 질환 예방 또는 개선용 식품 조성물.
- 제8항에 있어서, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 서열번호 1의 hsa-miR-145-5p를 포함하는 것인 근육 감소 관련 질환 예방 또는 개선용 식품 조성물.
- 제8항에 있어서, 근육 감소 관련 질환은 근감소증(sarcopenia), 근위축증(muscular atrophy), 근무력증(myasthenia), 근이영양증(muscular dystrophy), 근육긴장증(myotonia), 근긴장 저하(hypotonia), 근력 약화(muscular weakness), 근육퇴행위축(muscular dystrophy), 근위축성 측삭경화증(amyotrophic lateral sclerosis) 및 악액질(cachexia)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 질환인 근육 감소 관련 질환 예방 또는 개선용 식품 조성물.
- 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀을 포함하는 근육량 증가 또는 근기능 개선용 식품 조성물.
- 제11항에 있어서, 편도 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 서열번호 1의 hsa-miR-145-5p를 포함하는 것인 근육량 증가 또는 근기능 개선용 식품 조성물.
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