심장 미세환경 모사를 이용한 인간 중간엽 줄기세포의 ex vivo 심근 분화 촉진을 통한 심근경색 치료효능 개선

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose&Contents : This study is about cardiomyogenic differentiation of human mesenchymal stem cells(hMSCs) by using electrical and mechanical stimulation which mimic cardiac microenvironments, and further transplanting the differentiated cells into myocardiac infarction injury model. We have fabricated the piezoelectric and elastic substrate (PES) to induce cardiomyogenic differenftiation by subjecting it into cyclic bending and stretching, and revealed its cellular mechanism. As a result, the differentiated cells could treat myocardiac infarction injury better than the undifferentiated cells in vivo.
Results : In the first year of this project, we studied about the methodology and efficiency of our ex vivo cardiomyogenic differentiation of hMSCs. We mimicked the cardiac microenvironment for cardiomyogenic differentiation, using zinc oxide nanorod and polydemethylsiloxane-based PES. The cardiomyogenic differentiation markers of hMSCs cultured on PES were up-regulated by electrical and mechanical stimulation. Especially, we verified the superiority of our system, by enhancing the cardiac protein expression 4 times compared to the 5-azacytidine group, which is a classical method for cardiomyogenic differentiation. We further studied the intracellular signaling mechanism, and we confirmed that electrical and mechanical stimulation up-regulated the autocrine secretion of VEGF, BMP-4, IGF and TGF-beta, and FAK-ERK downstream mechanism which are known to be essential for cardiomyogenic differentiation. In the second year of this project, we have tried to apply our cardiomyogenically differentiated cells in animal myocardiac infarction model. First, we evaluated the safety and toxicity of the differentiated cells in vivo, thus no harmful effect was observed. As we have compared the in vivo effect of hMSCs and our differentiated hMSCs, we have shown that the differentiated hMSCs could better repair the cardiac functionality.
Expected Contribution : The therapeutic efficiency of the commercialized stem cell therapy for myocardium infarction is very low, because we commonly use non-differentiated stem cells. Also, the conventional method for cardiomyogenic differentiation of hMSCs (treating TGF-beta or 5-azacytidine) is not feasible. This study could up-regulate the differentiation ratio 4 times compared to the conventional method. We applied for a patent of our method for cardiomyogenic differentiation, and have a plan to transfer our technology to companies. Finally we are going to submit to SCI journal paper after in vivo experiments.

국문 초록 (Abstract)

연구의 목적 및 내용 : 본 연구는 심장의 미세 환경을 모사하여 전기 및 기계 자극을 이용하여 인간 중간엽 줄기세포를 심근 분화시킨 후, 이를 통해 심장질환의 치료 효율을 증대시키는 것에 목적이 있음. 압전성과 탄성을 가진 소재를 제작하여 전기적/기계적 자극을 통해 줄기세포의 심근분화를 유도하였고 이에 대한 메커니즘을 밝혔음. 최종적으로 마우스 심근경색 모델에 심근 분화된 세포를 이식하여 미분화 줄기세포이식에 비해 치료 효율이 증가하였음을 확인함.
연구개발성과 : 본 연구는 2년에 걸쳐 진행된 연구로, 1년차에는 인간 중간엽 줄기세포의 ex vivo 에서의 심근 분화 촉진 방법 및 그 효율성에 대해서 연구하였음. 심근 분화를 위하여 산화아연과 PDMS로 제작된 탄성 압전 소재를 이용하여 심장 미세 환경(전기장과 기계자극)을 모사한 환경을 만듦. 탄성 압전 소재 위에서 배양된 인간중간엽 줄기세포들이 전기장과 기계자극에 의하여 ex vivo 심근분화 인자들의 발현이 크게 향상됨을 확인함. 특히 기존 방법인 5-azacytidine만을 사용하는 방법보다도 최소 4배 이상 심근분화인자 발현이 향상 됨을 관찰함으로써 본 연구에서 사용한 탄성 압전소재와 배양 공정의 우수성을 확인함. 또한 기계 자극과 전기장에 의한 심근 분화 촉진에 대한 메커니즘을 조사했으며, 전기장과 기계자극은 VEGF, BMP-4, IGF, TGF-beta 발현과 FAK/ERK 시그날링을 증가시켜 심근분화를 촉진시킴을 확인하였음. 2년차에는 1년차에서 연구된 방법으로 심근 분화가 유도된 인간 중간엽 줄기세포의 심근경색 동물모델에서 유효성을 평가하였음. 이에 앞서 본 기술로 분화된 세포의 안전성/독성 평가하였으며, 마우스에 이식하였을 시 독성이 없음을 확인하였음. 기존 기술에 비해서 본 기술의 심근경색 동물모델에서 심근경색 치료효능우수성 검증하기 위하여 마우스 심근경색 모델에 심근 분화된 세포와 미분화 세포의 치료 효율을 각각 비교한 결과, 심근 분화된 세포를 이식한 군에서 심장의 기능이 유의미하게 좋아진 것을 확인하였음.
연구개발성과의 활용계획(기대효과) : 현재 상용화된 심근경색 치료용 줄기세포 치료제는 MSC가 심근분화되지 않은 제품이고 따라서 치료효능이 낮음. 또한 기존 심근분화 기술인 TGF-beta 또는 5-azacytidine은 심근분화 효율이 지극히 낮음. 본 연구는 MSC의 심근분화 효율을 기존 심근분화 기술보다 약 4배 이상 높인 연구로서 이에 대한 본 연구의 기술(MSC의 심근분화 기술)에 대한 특허를 출원하여 그 기술을 회사에 이전(특허권 양도)할 계획임.