전기, 기계, 생화학적 다중 신호에 의한 제대혈 줄기세포의 골격 근 분화 극대화와 근질환 치료제 개발 = Enhanced myogenic differentiation of umbilical cord blood stem cells by electric, mechanical, and biochemical multi-signals and development of therapy for muscular diseases

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose&Contents
The transplantation technologies are required in order to treat myopathical diseases using myogenically differentiated stem cells in vivo. To be more concrete, 1) instead of using the conventionally used myogenic differentiation method based on biochemical signals, we have combined biochemical treatments with electrical (electric field) and mechanical (cyclic strain) stimulation to up-regulate the differentiation ratio, 2) and we have also evaluated the muscular regeneration efficiency and toxicity of the differentiated cells in vivo, to certify our myogenically differentiated cells as a proper cell therapeutic agent.
Results
- Maximization of the differentiation ability of human umbilical cord blood derived mesenchymal stem cell into skeletal muscular cells using electrical, mechanical and biochemical signals ex vivo: using all 3 biochemical, mechanical and electrical stimuli, the expression of skeletal muscular differentiating markers increased by 10 times (especially the expression of myogenin increased by 8 times) compared to using only biochemical stimulation.
- Study of the musculoskeletal differentiation stimulating mechanism: It is proved, that mechanical stimulus increases the expression of Grp78 and RhoA, while electrical stimulus increases the expression of Hsp27 and IGF-1.
- The efficiency evaluation of the transplanted musculoskeletal cells in skeletal muscle- injured animal model: By transplanting the skeletal muscle cells, which are induced from the human umbilical cord blood derived mesenchymal stem cell, the regenerated area of muscular fiber increased by approximately 250%, compared to the untreated group and only biochemically stimulated group.
- It is proved that the skeletal muscle cells differentiated from human umbilical cord blood derived mesenchymal stem cell have no cell toxicity, by subcutaneously transplanting the cells into the nude mouse.
Expected Contribution
Our muscle cell sheet could not only treat sarcopenia, but also prevent the secondary diseases occurred from sarcopenia (diabetes, obesity, and cardiovascular diseases). It is expected to improve the quality of life and reduce the medical expense of the senior citizens. In addition, our system could have the potential to be further applied to treat several other muscular diseases, such as muscular dystrophy, muscular atrophy, myositis, polymyositis, and fibrosis.

국문 초록 (Abstract)

연구의 목적 및 내용
근질환들을 치료하기 위하여 분화된 근육세포를 체내에 직접 이식하여 치료하는 기술을 개발해야함. 구체적으로, 1) 생화학 신호만 사용하여 골격근 분화를 유도하는 기존 기술에 비해서, 생화학, 전기장, 기계적 신호를 함께 사용하여 제대혈 줄기세포의 ex vivo 골격근 분화 효율을 크게 향상시키고, 2) 질환동물모델에서 유효성을 평가하고 동물모델에서 안전성을 평가하여 난치성 근 질환에 대한 고효능 세포치료 제로서의 가능성을 검증함.
연구개발성과
- 전기, 기계, 생화학적 다중 신호에 의한 인간 제대혈 줄기세포의 ex vivo 골격근분화 극대화 : 생화학, 기계, 전기 자극 함께 사용하였을 때, (기존 방법인) 생화학적인 자극에 비해서 골격근 분화 마커들의 발현이 약 7~10배 증가하였고, 특히 Myogenin 발현이 8배 증가함.
- 골격근 분화 촉진 메커니즘 연구 : 기계적 자극이 Grp78와 RhoA, 전기자극이 Hsp27과 IGF-1 발현을 촉진시켜서 근육분화를 촉진시키는 메커니즘을 밝힘.
- 본 방법으로 분화된 골격근세포의 골격근 손상 소동물모델에서 유효성 평가 : 제대혈 MSC로부터 근육분화 유도된 세포를 이식하여 재생 근섬유 면적이 no treatment 그룹과 생화학적 자극 그룹에 비해 약 250% 증가함.
- 인간 제대혈MSC로부터 근육분화 유도된 세포를 누드마우스 피하에 이식하여 세포가 독성이 없음을 검증함.
연구개발성과의 활용계획(기대효과)
- 고령화 추세에 따른 노화성 근소모증과 근질환에 대한 주효한 치료법이 없는 현실에서, 본 연구를 통해 개발된 골격근 분화 세포치료제는 난치성 근질환 환자들의 medical unmet needs를 해결할 수 있고, 본 기술의 경제적 가치가 매우 클 것으로 예상됨.
- 제대혈줄기세포는 동종세포여서 상업화가 유리하므로 신산업창출 가능성이 굉장히 큼.
- 본 기술로 생산된 제대혈 줄기세포 유래 골격근세포는 노화성 근소모증, 근디스트로피 뿐만 아니라, 근위축증, 근육염증(Myositis), 다발성 근육염(polymyositis), 말초혈관 질환(peripheral vascular disease) 및 섬유증(fibrosis) 등 다양한 근육 손상 질환의 치료 및 예방에 널리 사용될 수 있음.