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Method Article
이 연구에서는 척수 손상 복구를 위해 지방 유래 줄기 세포의 재생 촉진 거동을 조사하고 활용하는 데 사용할 수 있는 신경 모방 복합 하이드로겔을 개발하고 특성화했습니다.
외상성 척수 손상(SCI)은 손상 부위 아래에 영구적인 감각 운동 결핍을 유발합니다. 미국에서 약 25만 명의 사람들에게 영향을 미치고 있으며, 이는 측정할 수 없는 공중 보건 문제를 나타냅니다. 효과적인 치료를 제공하기 위한 연구가 수행되었습니다. 그러나 SCI는 부상 부위의 복잡한 특성으로 인해 여전히 치료가 불가능한 것으로 간주됩니다. 약물 전달, 세포 이식 및 주사 가능한 생체 재료를 포함한 다양한 전략이 조사되지만 한 가지 전략만으로는 재생 효능이 제한됩니다. 이와 같이, 최근 병용 요법은 부상의 다면적인 특징을 표적으로 삼을 수 있는 치료법으로 주목을 받고 있습니다. 세포외 기질(ECM)이 SCI에 대한 세포 이식의 효능을 증가시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 이를 위해 탈세포화된 척수(dSC)와 좌골신경(dSN)으로 구성된 3D 하이드로겔을 서로 다른 비율로 개발하고 특성화했습니다. dSC 및 dSN의 조직학적 분석은 세포 및 핵 구성 요소의 제거를 확인했으며, 탈세포화 후에도 고유 조직 구조가 유지되었습니다. 그 후, 복합 하이드로겔을 다양한 부피 비율로 만들고 탁도 겔화 역학, 기계적 특성 및 내장된 인간 지방 유래 줄기 세포(hASC) 생존율을 분석했습니다. 하이드로겔(hydrogel)과 탈세포화된 척수 매트릭스(decellularized spinal cord matrices)의 서로 다른 비율 사이에서 기계적 특성의 유의미한 차이는 발견되지 않았습니다. 겔에 내장된 인간 ASC는 14일 배양 기간 동안 생존 가능한 상태를 유지했습니다. 이 연구는 신경 특이적 ECM 및 재생 전 중간엽 줄기 세포를 나타내는 조직 공학 조합 하이드로겔을 생성하는 수단을 제공합니다. 이 플랫폼은 향후 연구를 통해 SCI 이후 신경 재생 전략에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있습니다.
약 296,000명의 사람들이 외상성 SCI로 고통받고 있으며, 매년 미국에서 약 18,000명의 새로운 SCI 사례가 발생하고 있습니다1. 외상성 SCI는 일반적으로 낙상, 총상, 자동차 사고 및 스포츠 활동으로 인해 발생하며 종종 부상 부위 아래의 감각 운동 기능의 영구적인 상실을 유발합니다. SCI 치료를 위한 평생 예상 비용은 개인당 100만 달러에서 500만 달러 사이이며 기대 수명은 현저히 낮다1. 그러나 SCI는 여전히 잘 이해되지 않고 있으며 주로 부상 후 복잡한 병태생리학적 결과로 인해 대부분 치료가 불가능합니다2. 세포 이식 및 생체 재료 기반 골격을 포함한 다양한 전략이 조사되었습니다. 세포와 생체 물질의 이식이 잠재력을 입증했지만, SCI의 다면적 특성으로 인해 조합 접근법이 더 유익할 수 있음을 시사합니다3. 그 결과, 많은 조합 전략이 조사되어 개별 구성 요소보다 더 나은 치료 효능이 입증되었습니다. 그러나 세포와 약물 전달을 위한 새로운 생체 물질을 제공하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다3.
천연 하이드로겔을 제조하는 한 가지 유망한 접근 방식은 조직 탈세포화(tissue decellularization)입니다. 탈세포화 과정은 이온, 비이온, 물리적 및 조합 방법을 사용하여 ECM 구성 요소를 보존하면서 모든 또는 대부분의 세포 및 핵 물질을 제거합니다. ECM 유래 하이드로겔은 세포 성분의 전부 또는 대부분을 제거함으로써 주입/주입 후 숙주에 대한 면역 반응이 적습니다4. 탈세포화된 조직의 품질을 평가하기 위해 측정해야 할 몇 가지 매개변수가 있습니다: 세포/핵 내용물 제거, 기계적 특성 및 ECM 보존. 부작용 면역 반응을 피하기 위해 다음과 같은 기준이 확립되었습니다: 1) mg ECM 건조 중량당 50ng 이중 가닥 DNA(dsDNA) 미만, 2) DNA 단편 길이 200bp 미만, 3) 4'6-디아미디노-2-페누일인돌(DAPI)5로 염색된 핵 물질이 거의 또는 전혀 보이지 않습니다. 기계적 특성은 인장, 압축 및/또는 유변학 테스트를 통해 정량화할 수 있으며 원래 조직과 유사해야 합니다6. 또한, 단백질 보존은 척수에 대한 라미닌, 글리코사미노글리칸(GAG) 및 콘드로이틴 설페이트 프로테오글리칸(CSPG)과 같은 탈세포화된 조직의 주요 구성 요소에 초점을 맞춘 단백질체학 또는 정량적 분석으로 평가할 수 있습니다 7,8. 검증된 ECM 유래 하이드로겔은 세포 기반 치료를 돕기 위해 다양한 유형의 세포로 재세포화할 수 있습니다9.
SCI 복구를 위해 슈반세포(Schwann cell), 후각 외피 세포(olfactory ensheathing cell), 골수 유래 중간엽 줄기세포(MSC) 및 신경 줄기세포/전구 세포(neuro stem/progenitor cell)와 같은 다양한 세포 유형이 연구되었습니다 10,11,12. 그러나 이러한 세포의 임상적 사용은 윤리적 우려, 인접 세포/조직과의 희박한 통합, 높은 수율을 위한 조직 공급원의 부족, 자가 재생 불능 및/또는 제한된 증식 능력으로 인해 제한적입니다 13,14,15. 이러한 세포 유형과 달리, 인간 지방 유래 MSC(hASC)는 리포흡인을 사용하여 최소 침습적 방식으로 쉽게 분리할 수 있고 많은 수의 세포를 얻을 수 있기 때문에 매력적인 후보입니다16. 또한, hASC는 신경 보호, 혈관 신생, 상처 치유, 조직 재생 및 면역 억제 가능성이 있는 성장 인자와 사이토카인을 분비할 수 있는 능력을 가지고 있습니다 17,18,19,20,21.
앞서 언급한 바와 같이, 여러 연구가 수행되었고 22,23,24 많은 연구가 이루어졌으며 이를 통해 많은 것을 배웠지만, SCI의 이질적인 특성으로 인해 기능 회복을 촉진하는 효과가 제한되었습니다. 따라서 SCI의 치료 효능을 높이기 위해 조합 접근법이 제안되었습니다. 본 연구에서는 탈세포화된 척수와 좌골신경을 결합하여 3차원(3D) hASC 배양을 위한 복합 하이드로겔을 개발하였다. 조직학적 분석과 DNA 분석을 통해 성공적인 탈세포화가 확인되었으며, 겔화 역학 및 압박 시험을 통해 신경 복합 하이드로겔의 다양한 비율을 특성화했습니다. 신경 복합 하이드로겔에서 hASC의 생존 가능성은 이 하이드로겔이 3D 세포 배양 플랫폼으로 활용될 수 있음을 입증하기 위해 조사되었습니다.
돼지 조직은 상업적으로 입수된 것이었기 때문에 동물 윤리 위원회의 승인이 필요하지 않았다.
1. 돼지 척수의 탈세포화(예상 시간: 5일)
참고: 수정25,26과 함께 이전에 설정된 프로토콜을 사용하여 탈세포화를 수행합니다. 모든 절차는 달리 명시되지 않는 한 실온의 멸균 생물 안전 캐비닛에서 수행해야 합니다. 모든 용액은 병 상단 필터(0.2μm 공극 크기)를 사용하여 오토클레이브 병에 멸균 여과해야 합니다. 37°C에서 수행하는 절차는 인큐베이터 또는 37°C로 설정된 깨끗한 오븐 내에서 수행할 수 있습니다.
2. 돼지 좌골 신경의 탈세포화(예상 시간: 5일)
참고: 이전에 설정된 프로토콜27을 사용하여 탈세포화를 수행합니다. 모든 절차는 달리 명시되지 않는 한 실온의 멸균 생물 안전 캐비닛에서 수행해야 합니다. 모든 용액은 병 상단 필터(0.2μm 공극 크기)를 사용하여 오토클레이브 병에 멸균 여과해야 합니다. 37°C에서 수행하는 절차는 인큐베이터 또는 37°C로 설정된 깨끗한 오븐 내에서 수행할 수 있습니다.
3. 탈세포화된 조직의 분해 및 복합 하이드로겔 제조(예상 시간: 4일)
4. 탈세포화(decellularization) 검증
5. 복합 하이드로겔의 특성화
6. 신경 복합 하이드로겔에서 인간 ASC의 3차원 배양
탈세포화된 조직은 약간의 변형을 가하여 이전에 확립된 프로토콜을 사용하여 제조하였다 26,27. 탈세포화, 동결건조 및 소화 후 SN:SC = 2:1, 1:1, 1:2 비율의 신경 복합 하이드로겔과 척수 전용 하이드로겔을 제조했습니다(그림 1). 핵 성분의 제거는 H&E 염색에 의해 확인되었습니다(그림 2A
SCI의 병태생리학은 복잡하고 다면적이라고 널리 알려져 있습니다. 세포 이식, 약물 전달 및 생체 재료와 같은 단일 치료법이 각각 SCI에 대한 귀중한 통찰력을 제공했지만, SCI의 복잡한 특성으로 인해 개별적인 효능이 제한될 수 있습니다 28,29,30,31. 이에 따라 효과적인 조합치...
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이 작업은 PhRMA 재단과 국립보건원(National Institutes of Health)의 지원을 받아 YS에 수여된 수상 번호 P20GM139768 및 R15NS121884를 통해 이루어졌습니다. 아칸소 대학교 의생명공학과의 Kartik Balachandran 박사와 Raj Rao 박사에게 장비를 사용할 수 있게 해주신 것에 대해 감사드립니다. 또한 유변량계에 대한 교육을 제공해 주신 University of Arkansas 생물농업공학과의 김진우 박사님과 Patrick Kuczwara 씨께 감사드립니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3-(Decyldimethylammonio)propane sulfonate inner salt | Sigma-Aldrich | D4266 | Used during sciatic nerve decellularization, SB-10 |
3-(N,N-Dimethylpalmitylammonio)propane sulfonate | Sigma-Aldrich | H6883 | Used during sciatic nerve decellularization, SB-16 |
AlamarBlue reagent | Fisher Scientific | DAL1100 | Used during AlamaBlue cell viabiiltiy test |
Chondroitinase ABC | Sigma-Aldrich | C3667 | Used during sciatic nerve decellularization |
Cryostat | Leica | CM1860 | |
Deoxyribonuclase | Sigma-Aldrich | D4263 | Used during sciatic nerve decellularization |
Disodium hydrogen phosphate heptahydrate | VWR | BDH9296 | Chemical for 100 mM Na/50 mM phos and 50 mM Na/10 mM phos buffer |
DNeasy Blood & Tissue kit | Qiagen | 69506 | Used during DNA analysis |
Dpx Mountant for histology,slide mounting medium | Sigma-Aldrich | 6522 | Used during H&E staining |
Eosin | Sigma-Aldrich | HT110216 | Used during H&E staining |
Ethanol | VWR | 89125-172 | |
Formaldehyde | Sigma-Aldrich | 252549 | Used during H&E staining |
Glutaraldehyde (GA) | Sigma-Aldrich | G6257 | Used during PDMS surface functionalization |
hASC growth media | Lonza | PT-4505 | Used to culture hASCs, containing of fetal bovine serum and penicilin/streptomycin |
Hematoxylin | VWR | 26041-06 | Used during H&E staining |
human adipose-derived stem cell | Lonza | PT-5006 | |
Hydrochloric acid (HCl) | Sigma-Aldrich | 320331 | Used to digest decellularizied tissues and adjust pregels solutions |
M199 media | Sigma-Aldrich | M0650 | Used to dilute pregels to desired concentration |
Optimal cutting temperatue compound | Tissue-Tek | 4583 | |
Pepsin | Sigma-Aldrich | P7000 | Used to digest decellularized tissues |
Peracetic acid | Lab Alley | PAA1001 | Used during spinal cord decellularization |
Phosphate buffered saline (PBS) | VWR | 97062-948 | |
Plate reader | BioTek Instruments | Synergy Mx | |
Polyethyleneimine (PEI) | Sigma-Aldrich | 181978 | Used during PDMS surface functionalization |
Porcine sciatic nerve | Tissue Source LLC | Live pigs, with no identifiable information and no traceability details | |
Porcine spinal cord | Tissue Source LLC | Live pigs, with no identifiable information and no traceability details | |
QuantiFluor dsDNA system | Promega | E2670 | Used to analyze DNA contents |
Rheometer | TA Instruments | DHR 2 | |
Rugged rotator | Glas-co | 099A RD4512 | Used during spinal cord decellularization |
Sodium chloride (NaCl) | VWR | BDH9286 | Chemical for 100 mM Na/50 mM phos and 50 mM Na/10 mM phos buffer |
sodium deoxycholate | Sigma-Aldrich | D6750 | |
Sodium dihydrogen phosphate monohydrate | VWR | BDH9298 | Chemical for 100 mM Na/50 mM phos and 50 mM Na/10 mM phos buffer |
Sodium hydroxide solution (NaOH) | Sigma-Aldrich | 415443 | Used to adjust pregels solutions |
SU-8 | Kayaku advnaced materials | SU8-100 | Used to coat silicon wafer |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S8501 | Used during spinal cord decellularization |
Sylgard 184 silicone elastomer kit | DOW | 1317318 | Polydimethylxiloxane (PDMS) base and curing agent |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | Used during spinal cord decellularization |
Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red | Thermo Fisher | 25300062 | Used during hASC work and during spinal cord decellularization |
Tube revolver rotator | Thermo Fisher | 88881001 | Used during sciatic nerve decellularization |
Xylene | VWR | MK866816 | Used during H&E staining |
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