KR102340058B1 - 양막상피세포 유래 엑소좀을 유효성분으로 함유하는 안구질환 예방 또는 치료용 조성물 - Google Patents
양막상피세포 유래 엑소좀을 유효성분으로 함유하는 안구질환 예방 또는 치료용 조성물 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 양막상피세포 유래 엑소좀을 유효성분으로 함유하는 안구질환 예방 또는 치료용 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양막상피세포 유래 엑소좀을 유효성분으로 함유하는 안구질환 예방 또는 치료용 약학 조성물 및 안구질환 예방 또는 개선용 건강기능식품 조성물을 제공한다.
상기 양막상피세포 유래 엑소좀은 안구 조직의 상처 치유력을 가지고, 안구질환에 의해 파과된 눈물샘 조직을 회복시켜 눈물 분비를 유도하며, 다양한 염증성 사이토카인의 분비를 감소시킴으로써, 안구질환을 보다 효과적으로 예방 또는 치료할 수 있다.
상기 양막상피세포 유래 엑소좀은 안구 조직의 상처 치유력을 가지고, 안구질환에 의해 파과된 눈물샘 조직을 회복시켜 눈물 분비를 유도하며, 다양한 염증성 사이토카인의 분비를 감소시킴으로써, 안구질환을 보다 효과적으로 예방 또는 치료할 수 있다.
Description
본 발명은 양막상피세포 유래 엑소좀을 유효성분으로 함유하는 안구질환 예방 또는 치료용 조성물에 관한 것이다.
양막(amnion)은 태아를 둘러싸고 있는 얇은 생체막으로, 모체로부터의 각종 감염 및 면역반응 등으로부터 태아를 보호하는 장벽 역할을 한다. 양막은 피부이식 및 다양한 질병에 사용되고 있다. 양막은 단순입방상피와 두꺼운 기저막, 무혈관성의 간엽성 간질로 구성되어 이식하여도 거부 반응을 보이지 않는 특징이 있어 안과 질환에서 양막 이식술을 시행하고 있다. 또한, 양막은 각막 및 결막세포의 성장과 특성을 유지시킬 수 있는 것으로 밝혀져 있으며, 상피의 세포자멸사를 억제하여 창상치유과정에서 상피화를 촉진시키고 염증을 감소시키며, 신생혈관형성을 억제하여 상처 치유 후 반흔 형성도 억제한다. 그러나 양막 이식술은 반드시 수술적 방법을 통해 이루어지므로 수술에 의한 반흔 형성, 출혈, 감염 등의 합병증이 발생할 수 있으며, 반복 이식에도 제한점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자, 양막의 일부 구성성분을 이용한 점안 치료법이 제안되고 있다.
엑소좀(exosome)은 모든 세포가 외부 환경으로 분비하는 지질 이중층으로 둘러싸인 나노 크기의 소포체이다. 엑소좀은 크기가 50-200nm로 다중 소포 엔도좀이 성숙하는 과정에서 엔도좀 막이 안쪽으로 들어와 생성된 내강 소낭인데, 다중 소포 엔도좀이 세포 표면과 결합할 때 분비된다. 엑소좀은 단백질, 지질, 핵산, 대사물질 등 생물학적 활성을 보이는 다양한 물질을 포함하고 있고, 유래하는 세포들의 상태를 반영하고 있다. 엑소좀은 세포가 분비하는 세포 간 신호전달물질로 기능하는데, 수용체 및 단백질뿐 아니라 핵 성분을 함유하고 있기 때문에 세포 간 소통 역할이 가능한 것으로 알려져 있다. 생체 활성 분자를 포함하기 때문에 표적 세포와 융합되면서 생리 활성 분자가 전달되어 표적 세포의 생리학적 활성효과를 쉽게 유도할 수 있다. 또한, 엑소좀은 세포에서 유래했기 때문에 면역원성이 낮고 세포와 동일한 막 위상을 갖고 있어 표적 세포에 손쉽게 부착한다. 사람 유래 세포 엑소좀은 혈관 신생, 면역 억제, 암의 병리학적 단계에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있어 질병의 초기 단계에서 우수한 치료 후보 물질로 주목받고 있다.
이에, 이러한 사람 유래 세포의 엑소좀을 이용하여 안구질환의 새로운 치료제를 개발하고자 한다.
본 발명의 목적은 우수한 상처 치유력과 항염증 효과를 가진 사람 유래 세포의 엑소좀을 유효성분으로 함유하는 안구질환 예방 또는 치료용 약학 조성물을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 엑소좀을 유효성분으로 함유하는 안구질환 예방 또는 개선용 건강기능식품 조성물을 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양막상피세포 유래 엑소좀을 유효성분으로 함유하는 안구질환 예방 또는 치료용 약학 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 양막상피세포 유래 엑소좀을 유효성분으로 함유하는 안구질환 예방 또는 개선용 건강기능식품 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 양막상피세포 유래 엑소좀은 안구 조직의 상처 치유력을 가지고, 안구질환에 의해 파과된 눈물샘 조직을 회복시켜 눈물 분비를 유도하며, 다양한 염증성 사이토카인의 분비를 감소시킴으로써, 안구질환의 예방 또는 치료를 위한 약학 조성물 및 건강기능식품 조성물로 활용할 수 있고, 이를 이용하여 효과적으로 안구질환을 예방, 개선 또는 치료할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양막상피세포에서 추출된 엑소좀을 투과 전자 현미경(TEM)을 이용하여 관찰한 이미지이다.
도 2는 도 1에 따른 엑소좀의 크기와 다분산도를 측정한 결과이다.
도 3은 웨스턴 블로팅을 이용하여 엑소좀을 확인한 것이다.
도 4는 엑소좀 처리에 따른 인간 결막 세포주 증식의 영향을 확인한 결과이다.
도 5는 엑소좀이 인간 결막 상피안으로 함입된 상태를 확인한 것이다.
도 6은 엑소좀 처리에 따른 IL-8의 농도 변화를 확인한 결과이다.
도 7은 엑소좀 처리에 따른 상처 치유력을 확인한 결과이다.
도 8은 안구건조증 동물 모델에서 엑소좀 처리에 따른 눈물 분비량의 변화를 확인한 결과이다.
도 9는 안구건조증 동물 모델에서 각막 리사민 그린(Lissamine green) 염색을 수행한 결과이다.
도 10은 안구건조증 동물 모델에서 결막 조직의 PAS (periodic acid Schiff) 염색을 수행한 결과이다.
도 11은 안구건조증 동물 모델에서 눈물샘 조직의 알시안 블루(Alcian Blue) 염색을 수행한 결과이다.
도 12는 안구건조증 동물 모델의 각막 조직에서 사이토카인 분비 변화 확인한 결과 그래프이다.
도 13은 양막상피세포 유래 엑소좀과 간엽계 줄기세포 유래 엑소좀 처리에 따른 IL-8의 농도를 비교한 그래프이다.
도 14는 양막상피세포 유래 엑소좀과 간엽계 줄기세포 유래 엑소좀 처리에 따른 상처 치유력을 비교한 그래프이다.
도 2는 도 1에 따른 엑소좀의 크기와 다분산도를 측정한 결과이다.
도 3은 웨스턴 블로팅을 이용하여 엑소좀을 확인한 것이다.
도 4는 엑소좀 처리에 따른 인간 결막 세포주 증식의 영향을 확인한 결과이다.
도 5는 엑소좀이 인간 결막 상피안으로 함입된 상태를 확인한 것이다.
도 6은 엑소좀 처리에 따른 IL-8의 농도 변화를 확인한 결과이다.
도 7은 엑소좀 처리에 따른 상처 치유력을 확인한 결과이다.
도 8은 안구건조증 동물 모델에서 엑소좀 처리에 따른 눈물 분비량의 변화를 확인한 결과이다.
도 9는 안구건조증 동물 모델에서 각막 리사민 그린(Lissamine green) 염색을 수행한 결과이다.
도 10은 안구건조증 동물 모델에서 결막 조직의 PAS (periodic acid Schiff) 염색을 수행한 결과이다.
도 11은 안구건조증 동물 모델에서 눈물샘 조직의 알시안 블루(Alcian Blue) 염색을 수행한 결과이다.
도 12는 안구건조증 동물 모델의 각막 조직에서 사이토카인 분비 변화 확인한 결과 그래프이다.
도 13은 양막상피세포 유래 엑소좀과 간엽계 줄기세포 유래 엑소좀 처리에 따른 IL-8의 농도를 비교한 그래프이다.
도 14는 양막상피세포 유래 엑소좀과 간엽계 줄기세포 유래 엑소좀 처리에 따른 상처 치유력을 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명자는 산모로부터 기증받은 양막에서 양막상피세포 유래 엑소좀을 수득하고, 안구건조증이 유도된 마우스에 처리하여 엑소좀의 안구질환에 대한 치료 효과를 관찰하여 인간 양막상피세포 유래 엑소좀이 안구질환에 새로운 치료 전략이 될 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 명세서에서, "엑소좀(exosome)"이란, 대부분의 진핵 세포의 엔도솜 구획에서 생성되는 막으로 둘러싸여 세포외로 생성되는 모든 종류의 세포외 소포 (extracullarlar vesicles, EVs)를 의미한다.
본 명세서에서, "예방"이란, 본 발명에 따른 약학 조성물 또는 건강기능식품 조성물의 투여에 의해 안구질환, 또는 이의 적어도 하나 이상의 증상의 발생을 억제시키거나 발병을 지연시키는 모든 행위를 의미한다. 또한, 재발을 예방하거나 방지하기 위해 상기 질병에 차도가 있는 대상의 치료를 포함한다.
본 명세서에서, "치료"란, 본 발명에 따른 약학 조성물의 투여에 의해 안구질환, 또는 이의 적어도 하나 이상의 증상을 완화, 감소, 또는 소멸시키는 등 그 증세를 호전시키거나 이롭게 변경하는 모든 행위를 의미한다.
본 명세서에서, "개선"이란, 본 발명에 따른 건강기능식품 조성물의 섭취에 의해 안구질환, 또는 이의 적어도 하나 이상의 증상을 완화, 감소, 또는 소멸시키는 등 그 증세를 호전시키거나 이롭게 변경하는 모든 행위를 의미한다.
본 명세서에서, "약학 조성물"이란, 특정한 목적을 위해 투여되는 조성물로, 본 발명의 목적상 안구질환, 또는 이의 적어도 하나 이상의 증상을 예방하거나 또는 치료하기 위해 투여되는 것을 의미한다.
본 명세서에서, "건강기능식품"이란, 건강기능식품에 관한 법률 제6727호에 따른 인체에 유용한 기능성을 가진 원료나 성분을 사용하여 제조 및 가공한 식품을 포함하며, 영양 공급 외에도 본 발명의 목적상 안구질환의 예방, 생체 방어, 면역, 회복 등의 생체 조절 기능이 효율적으로 나타나도록 가공된 의학, 의료 효과가 높은 식품을 의미한다.
본 발명은 양막상피세포 유래 엑소좀을 유효성분으로 함유하는 안구질환 예방 또는 치료용 약학 조성물을 제공한다.
상기 "양막상피세포(amnion epithelial cell)"는 태반을 구성하는 양막 상피 조직에서 분리된 것으로, 다능성 줄기세포의 특성을 가질 수 있다.
상기 "양막상피세포 유래 엑소좀"은 양막상피세포에서 수득할 수 있는 엑소좀이라면 제한없이 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 약학 조성물에 있어서, 상기 엑소좀은 각막 또는 결막 조직의 상처 치유력을 가질 수 있다.
상기 엑소좀은 안구건조증 등과 같은 안구질환에 의해 파괴된 눈물샘 조직을 회복시킬 수 있고, 눈물층의 안정화에 관여하는 술잔세포(배상세포)를 조절하며, 눈물 분비를 유도할 수 있다.
상기 "술잔세포"는 결막에서 점액을 분비하여 눈물층의 안정화를 유지하게 한다.
또한, 상기 엑소좀은 IL-1β(Interleukin 1 beta), IL-8(Interleukin 8), IL-6(Interleukin 6), IFNγ(Interferon gamma) 및 TNFα(Tumor necrosis factor alpha)로 이루어진 군에서 선택되는 염증성 사이토카인 분비를 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 약학 조성물에 있어서, 상기 안구질환은 안구표면질환 및 안내부질환을 포함할 수 있고, 보다 상세하게는 안구건조증, 각막 상피 손상, 각막염, 결막염, 및 각결막염으로 이루어진 군에서 선택되는 안구표면질환 또는 안구내염, 포도막염, 및 황반변성으로 이루어진 군에서 선택되는 안내부질환일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 약학 조성물은 약학적 분야의 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 상기 약학 조성물은 제형에 따라 약학적으로 허용가능한 적절한 담체와 배합될 수 있고, 필요에 따라, 부형제, 희석제, 분산제, 유화제, 완충제, 안정제, 결합제, 붕해제, 용제 등을 더 포함하여 제조될 수 있다. 상기 적절한 담체 등은 본 발명에 따른 양막상피세포 유래 엑소좀의 활성 및 특성을 저해하지 않는 것으로, 투여 형태 및 제형에 따라 달리 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 약학 조성물은 어떠한 제형으로도 적용될 수 있고, 보다 상세하게는 통상의 방법에 따라 경구형 제형, 외용제, 좌제 및 멸균 주사용액의 비경구형 제형으로 제형화하여 사용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 조성물은 점안제, 주사제, 과립제, 정제, 환제, 캡슐제, 겔, 시럽, 현탁제, 유제, 점적제 및 액제로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 제형일 수 있다.
상기 경구형 제형 중 고형 제형은 과립제, 정제, 환제, 캡슐제, 산제 등의 형태로, 적어도 하나 이상의 부형제, 예를 들면, 전분, 칼슘카보네이트, 수크로스, 락토오스, 솔비톨, 만니톨, 셀룰로오스, 젤라틴 등을 섞어 조제할 수 있고, 단순한 부형제 이외에 마그네슘 스테아레이트, 탈크 같은 윤활제들도 포함될 수 있다. 또한, 캡술제형의 경우 상기 언급한 물질 외에도 지방유와 같은 액체 담체를 더 포함할 수 있다.
상기 경구형 제형 중 액상 제형은 현탁제, 내용액제, 유제, 시럽제 등이 해당되는데 흔히 사용되는 단순 희석제인 물, 리퀴드 파라핀 이외에 여러 가지 부형제, 예를 들면 습윤제, 감미제, 방향제, 보존제 등이 포함될 수 있다.
상기 비경구 제형은 멸균된 수용액, 비수성용제, 현탁제, 유제, 동결건조 제제, 점안제, 점적제, 주사제, 좌제가 포함될 수 있다. 비수성용제, 현탁제로는 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 올리브 오일과 같은 식물성 기름, 에틸올레이트와 같은 주사 가능한 에스테르 등이 사용될 수 있다. 좌제의 기제로는 위텝솔(witepsol), 마크로골, 트윈 61, 카카오지, 라우린지, 글리세로제라틴 등이 사용될 수 있다. 이에 제한되지 않고, 당해 기술 분야에 알려진 적합한 제제를 모두 사용 가능하다.
본 발명에 따른 약학 조성물에 있어서, 상기 약학 조성물은 약학적으로 유효한 양으로 투여될 수 있다.
본 명세서에서, "약학적으로 유효한 양"이란, 의학적 치료에 적용 가능한 합리적인 수혜/위험 비율로 질환을 치료하기에 충분하며 부작용을 일으키지 않을 정도의 양을 의미한다.
상기 약학 조성물의 유효 용량 수준은 사용 목적, 환자의 연령, 성별, 체중 및 건강 상태, 질환의 종류, 중증도, 약물의 활성, 약물에 대한 민감도, 투여 방법, 투여 시간, 투여 경로 및 배출 비율, 치료기간, 배합 또는 동시 사용되는 약물을 포함한 요소 및 기타 의학 분야에 잘 알려진 요소에 따라 달리 결정될 수 있다. 예를 들어, 일정하지는 않지만 일반적으로 0.001 내지 100mg/kg으로, 바람직하게는 0.01 내지 10mg/kg을 일일 1회 내지 수회 투여될 수 있다. 상기 투여량은 어떠한 면으로든 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 약학 조성물은 안구질환이 발생할 수 있는 임의의 동물에 투여할 수 있고, 상기 동물은 예를 들어, 인간 및 영장류뿐만 아니라 소, 돼지, 말, 개 등의 가축 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 약학 조성물은 제제 형태에 따른 적당한 투여 경로로 투여될 수 있고, 목적 조직에 도달할 수 있는 한 경구 또는 비경구의 다양한 경로를 통하여 투여될 수 있다. 투여 방법은 특히 한정할 필요 없이, 예를 들면, 경구, 안구내, 직장 또는 정맥, 근육, 피부 도포, 호흡기내 흡입, 자궁내 경막 또는 뇌혈관내(intracere-broventricular) 주사 등의 통상적인 방법으로 투여될 수 있다.
본 발명에 따른 약학 조성물은 안구질환의 예방 또는 치료를 위하여 단독으로 사용될 수 있고, 수술 또는 다른 약물 치료 등과 병용하여 사용될 수 있다.
본 발명은 양막상피세포 유래 엑소좀을 유효성분으로 함유하는 안구질환 예방 또는 개선용 건강기능식품 조성물을 제공한다.
상기 엑소좀은 각막 또는 결막 조직의 상처 치유력을 가지고, 파괴된 눈물샘 조직을 회복시킬 수 있으며 눈물층의 안정화에 관여하는 술잔세포를 조절하고 눈물 분비를 유도할 수 있다. 또한, 상기 엑소좀은 IL-1β, IL-8, IL-6, IFNγ 및 TNFα로 이루어진 군에서 선택되는 염증성 사이토카인 분비를 감소시킬 수 있어, 안구질환의 예방 또는 개선을 위한 건강기능식품 조성물로 사용할 수 있다.
이에 상응하는 특징들은 상술된 부분에서 대신할 수 있다.
본 발명에 따른 건강기능식품 조성물에 있어서, 상기 건강기능식품은 안구질환의 예방 또는 개선 목적으로, 분말, 과립, 정제, 캡슐, 시럽 또는 음료 등으로 제조될 수 있다. 상기 건강기능식품이 취할 수 있는 형태에는 제한이 없으며, 상기 약학 조성물과 동일한 방식으로 제제화되어 기능성 식품으로 이용하거나, 각종 식품에 첨가될 수 있다.
본 발명에 따른 건강기능식품 조성물에 있어서, 상기 건강기능식품은 통상적인 의미의 식품을 모두 포함할 수 있다. 예를 들어, 음료 및 각종 드링크, 과실 및 그의 가공식품(과일통조림, 잼 등), 어류, 육류 및 그 가공식품(햄, 베이컨 등), 빵류 및 면류, 쿠키 및 스낵류, 유제품(버터, 치즈 등) 등이 가능하며, 통상적인 의미에서의 기능성 식품을 모두 포함할 수 있다. 또한, 동물을 위한 사료로 이용되는 식품도 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 건강기능식품 조성물은 당업계에서 통상적으로 사용되는 식품학적으로 허용 가능한 식품 첨가제(식품 첨가물) 및 적절한 기타 보조 성분을 더 포함하여 제조될 수 있다. 식품 첨가물로서의 적합 여부는 다른 규정이 없는 한, 식품의약품안전청에 승인된 식품 첨가물 공전의 총칙 및 일반시험법 등에 따라 해당 품목에 관한 규격 및 기준에 의하여 판정할 수 있다. 상기 '식품 첨가물 공전'에 수재된 품목으로는 예를 들어, 케톤류, 글리신, 구연산칼슘, 니코틴산, 계피산 등의 화학적 합성물; 감색소, 감초추출물, 결정셀룰로오스, 고량색소, 구아검 등의 천연첨가물; L-글루타민산나트륨 제제, 면류첨가알칼리제, 보존료 제제, 타르색소제제 등의 혼합 제제류 등을 들 수 있다.
상기 기타 보조 성분은 예를 들어, 향미제, 천연 탄수화물, 감미제, 비타민, 전해질, 착색제, 펙트산, 알긴산, 유기산, 보호성 콜로이드 증점제, pH 조절제, 안정화제, 방부제, 글리세린, 알콜, 탄산화제 등을 추가로 함유할 수 있다. 특히, 상기 천연 탄수화물로는 포도당, 과당과 같은 모노사카라이드, 말토스, 수크로오스와 같은 디사카라이드, 및 덱스트린, 사이클로덱스트린과 같은 폴리사카라이드, 자일리톨, 소르비톨, 에리트리톨 등의 당알콜을 사용할 수 있으며, 감미제로서는 타우마틴, 스테비아 추출물과 같은 천연 감미제나 사카린, 아스파르탐과 같은 합성 감미제 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 건강기능식품에 함유된 상기 양막상피세포 유래 엑소좀의 유효 용량은 안구질환의 예방 또는 개선 등 그 사용 목적에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
상기 건강기능식품 조성물은 식품을 원료로 하여 일반 약품의 장기 복용 시 발생할 수 있는 부작용 등이 없는 장점이 있고, 휴대성이 뛰어나, 안구질환 예방 또는 개선을 위한 보조제로 섭취될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예 1> 인간 양수 상피세포의 분리 및 배양과 엑소좀 추출
합병증이 없는 임산부의 제왕절개술에 의해서 적출된 태반을 멸균된 용기에 담아 생리식염수로 씻어 혈병을 제거하였다. 제대 쪽부터 의료용 가위를 이용하여 절개를 넣었으며 양막(Amniotic membrane)을 융모막에서부터 포셉을 넣어 조금씩 박리하였다. 분리한 양막을 스테인리스 플레이트에 상피가 아래를 향하게 펼친 후 손으로 문질러 남아있는 융모막과 혈병을 제거해주었으며, 생리식염수를 이용하여 5회 반복하여 헹궈주었다. 양막을 스테인리스 플레이트에 상피가 아래를 향하게 펼친 후 NC 페이퍼(nitrocellulose paper, 0.45μm)를 위에 덮어 양막을 NC 페이퍼에 부착시켰다. 부착 후 이를 5-10cm 정도의 정방형 크기로 잘라서 HBSS(Hank's balanced salt solution)가 담긴 용기에 담아 실험실로 이동시켰다.
분리된 양막을 멸균된 비커에 옮겨 HBSS를 이용하여 여러 번 씻어 잔존 혈액과 조직 찌꺼기를 완전히 제거한 다음, 양막편을 0.5mM EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid)와 페니실린(penicillin)-스트렙토마이신(streptomycin)을 포함한 PBS에서 37℃로 10분간 인큐베이션(incubation) 하였다. 이후 0.05% trypsin/EDTA 용액으로 37℃에서 5분간 둔 다음 찌꺼기를 제거하기 위해 해당 용액은 버리고, 새 0.05% trypsin/EDTA 용액으로 37℃에서 10분간 간헐적으로 흔들어 주면서 반응시킨 다음 배양액을 모았다. 4배 볼륨의 DMEM/F12 배양액을 첨가하여 trypsin/EDTA를 불활성화 시킨 다음, 300×g에서 10분간 원심분리하고 현탁한 후 포어 사이즈(pore size) 100μm의 셀 스트레이너(cell strainer)로 걸러서 원심분리 후 계수하였다.
분리된 세포는 DMEM/F12 (10% FBS, 1% P/S) 배양액을 이용하여 1.2×105/cm2 밀도로 폴리-L-라이신(poly-L-lysine) 코팅된 배양 접시에 시딩(seeding)하여 37℃, 5% CO2 조건에서 배양하였다. 필요에 따라 10ng/ml 상피세포증식인자(Epidermal Growth Factor, EGF), ROCK(Rho-Associated Coil Kinase) 억제제, 백혈병억제인자( leukemia inhibitory factor, LIF)를 첨가하여 배양하였다.
상기 엑소좀은 다양한 방법으로 추출이 가능하며, 예를 들면, 포스파티딜세린 결합을 통한 분리법, 항체 결합분리법, 초고속 원심분리법을 이용하여 추출할 수 있다.
1) 초고속 원심분리법을 이용한 엑소좀 추출
양막상피세포를 DMEM/F12 (10% FBS, 10ng/ml EGF, 1% P/S) 폴리-L-라이신(poly-L-lysine) 코팅된 배양 접시에서 80% confluence 하게 키우고, 세포를 PBS로 3회 세척하여 남아있는 배지를 모두 제거하였다. 배지를 DMEM/F12 (1% Exosome Free FBS, 10ng/ml EGF, 1% P/S) 배지로 교체하고 72 시간 후, 조정 배지(conditioned medium)를 수집하였다. 세포 파괴물(cell debris) 제거를 위해 300×g에서 10분 동안 원심분리 하였고, 원심분리 후 얻어진 상청액을 모아 30분 동안 1500×g에서 원심분리 하였다. 원심분리 후 얻어진 상청액을 수집하여 원심 농축기(centrifugal concentrator, 100,000 MWCO memebrane; Corning)를 이용하여 조정 배지를 농축시켰다. 농축된 조정 배지는 100,000×g에서 2시간 동안 초원심분리( ultracentrifugation)하고, 이때 얻어진 펠렛을 PBS에 재현탁시킨 후 100,000×g에서 2시간 동안 다시 초원심분리하였다. 최종 팰렛에 엑소좀이 포함되어 있고, 팰렛을 PBS에 재현탁시켜 바로 사용하거나, 사용 전까지 4℃에서 보관하였다.
2) 포스파티딜세린 결합을 통한 분리법
양막상피세포를 DMEM/F12 (10% FBS, 10ng/ml EGF, 1% P/S) 폴리-L-라이신(poly-L-lysine) 코팅된 배양 접시에서 80% confluence하게 키우고, 세포를 PBS로 3회 세척하여 남아있는 배지를 모두 제거하였다. 배지를 DMEM/F12 (1% Exosome Free FBS, 10ng/ml EGF, 1% P/S) 배지로 교체하고 72 시간 후, 조정 배지를 수집하였다. 배지 속 남아있는 세포 제거를 위해 300×g에서 5분 동안 원심분리 한 후, 상청액을 모아 남아있을 세포 파괴물 제거를 위해 1,200×g에서 20분간 원심분리 하였다. 최종적으로 상청액을 10,000×g에서 30분간 원심분리 해줌으로서, 큰 세포외 소포(large extracellular vesicles)와 엑소좀을 분리되고, 최종 원심분리된 조정 배지 상층액에 엑소좀이 포함될 수 있다.
수집된 상청액은 원심 농축기 (100,000 MWCO memebrane; Corning)를 이용하여 최대 50배 농축시켜 준비하고, 사용 전까지 4℃에서 보관하였다. 농축된 상청액은 포스파티딜 결합 분리 키트 (MagCaptureTM Exosome Isolation Kit PS, Wako)를 이용하여 엑소좀을 분리하였다.
MagCapture 방법은 포스파티딜세린(phosphatidylserine, PS) 결합을 통한 엑소좀 분리 방법으로, 항체를 사용하지 않고 마그네틱 비즈(magnetic beads)가 결합된 엑소좀 캡쳐(exosome capture)에 결합하는 엑소좀을 분리한다. 간단히, 키트에 포함된 스트렙트아비딘(streptavidin) 마그네틱 비즈를 엑소좀 캡쳐 고정 버퍼(exosome capture immobilizing buffer)에 희석하여 마그네틱 스탠드(magnetic stand)에 1분간 반응시켜 비즈만 남긴다. 여기에 비오틴(biotin)-표지된 엑소좀 캡쳐를 첨가하고 4℃에서 로테이터(rotator)를 이용하여 10분 처리한 후, 마그네틱 스탠드에 1분간 반응시켜 엑소좀 캡쳐 고정 비즈를 준비하였다.
농축된 조정 배지에 1:500 부피비의 엑소좀 결합 강화제(exosome binding enhancer)(×500)를 첨가하여 샘플을 준비하고, 엑소좀 캡쳐 고정 비즈와 4℃에서 3시간 이상 로테이터를 사용하여 반응시킨 후 마그네틱 스탠드를 사용하여 EVs-결합 비즈만 분리하였다.
엑소좀 결합 강화제가 포함된 세척 버퍼를 이용해 EVs-결합 비즈를 워싱해주고 마그네틱 스탠드를 사용하여 EVs-결합 비즈만 남겼다. EVs-결합 비즈에 엑소좀 용리 버퍼를 첨가하여 마그네틱 비즈와 엑소좀을 용리시켜 최종적으로 엑소좀을 획득하였다. 획득된 엑소좀은 PBS에 재현탁시켜 바로 사용하거나, 사용 전까지 -80℃에서 보관하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양막상피세포에서 추출된 엑소좀을 투과 전자 현미경(TEM)을 이용하여 관찰한 이미지이고, 도 2는 도 1에 따른 엑소좀의 크기와 다분산도를 NanoSight (Malvern zetasizer, Worcestershire, UK)를 사용하여 측정한 결과로, 50-200nm 크기의 엑소좀이 측정되었다.
도 3은 웨스턴 블로팅을 이용하여 엑소좀을 확인한 것으로, 양막상피세포 유래 엑소좀 펠렛을 세포 용해 버퍼에 현탁하고, 양막상피세포 용해물을 대조군으로 사용하였다. 이 용해물을 황산 도데실 나트륨(sodium dodecyl sulfate, SDS) 로딩 염료에서 5분 동안 끓이고 10% SDS-폴리아크릴아마이드 겔 전기영동(polyacrylamide gel electrophoresis, PAGE)에 전기영동한 뒤, NC 막(membrane)에 단백질을 이동시켰다. 5% skim milk로 1시간 동안 반응시킨 후, CD63 항체 처리로 양막상피세포 유래 엑소좀을 확인하였다.
이를 통해, 인간 양막상피세포 유래 엑소좀의 안정적인 분리를 확인할 수 있었다.
<실험예 1> 세포 증식 분석
인간 결막 세포주를 96-well 플레이트에 분주하고 플레이트 면적의 60%로 성장시킨 뒤, 성장인자와 FBS 기아상태의 배양액에서 16시간 동안 배양 후 70 mM NaCl을 처리하여 안구건조증과 유사한 환경을 유도하였다.
양막상피세포 유래 엑소좀을 세포당 각 0, 300, 600, 3000 파티클(particles)을 처리하고, 24시간 배양한 다음. 배지를 제거하고 20μL 메틸티아졸 테트라졸리움(methylthiazol tetrazolium, MTT)을 각각의 well에 첨가하고 3시간 동안 37℃에서 배양하여 세포 증식을 확인하였다.
그 결과, 도 4와 같이 각 농도의 엑소좀 처리 뒤에도 인간 결막 세포주의 안정적인 증식이 관찰되었다. 이를 통해, 상기 엑소좀 처리로 인한 세포 증식 억제 또는 세포 독성은 나타나지 않는 것으로 확인되었다.
<실험예 2> 엑소좀의 인간 결막상피세포로의 세포내 이동(endocytosis) 분석
엑소좀의 상피세포 내 엔도사이토시스(endocytosis)를 확인하기 위해, 적색 형광 염료(Dil, Thermo Fisher)로 염색하였다. 엑소좀과 1×10-3mM Dil를 37℃에서 30분 동안 반응시키고 100μL PBS에 희석하여 즉시 사용하였다. 인간 결막 상피 세포주를 사용하여 세포가 세포 배양 플레이트 상에서 60% confluence 하게 성장하면 배지를 1% 엑소좀 Free 배지로 교체시킨 후, Dil 염색된 엑소좀을 처리하여 4시간 동안 37℃, 5% CO2 환경에서 성장시켰다.
그 결과, 도 5와 같이 Dil 라벨된 엑소좀이 인간 결막상피세포 내로 이동(endocytosis)함을 확인할 수 있다.
<실험예 3> IL-8 농도 변화 분석
인간 결막 세포주를 96-well 플레이트에 분주하고 플레이트 면적의 80%로 성장시킨 뒤, 70 mM NaCl을 처리하여 안구건조증과 유사한 환경을 유도하였다.
양막상피세포 유래 엑소좀을 세포당 각 60, 300, 600 파티클을 처리하고 24시간 배양한 다음, 세포 밖으로 배출된 IL-8의 농도 변화를 확인하였다. 대조군은 상기 엑소좀을 처리하지 않았다. 세포 배양에 사용된 배지를 수거한 다음 LEGEND MAX™ Human IL-8 ELISA kit with Pre-coated Plates (Biolegend, San Diego, CA, USA)를 이용하여 제조사의 프로토콜에 따라 ELISA를 수행하였다.
그 결과, 도 6과 같이, 안구건조증 유사 환경을 유도한 세포 배양 환경에서 엑소좀을 처리한 경우, 엑소좀을 처리하지 않은 대조군보다 IL-8의 농도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 4> 상처 치유 분석
인간 결막 세포주를 배양하여 양막상피세포 유래 엑소좀의 시험관 내 상처 치유력에 영향을 미치는지 여부를 확인하였다.
구체적으로, 인간 결막 세포주를 96-well 세포 배양 플레이트에 24시간 동안 인큐베이터에서 배양하여 세포 밀집 단층(confluent monolayer)을 형성하면 4시간 동안 1% 엑소좀 무혈청 배지로 교체하여 기아상태로 유지한 다음, 상처 형성 도구(WoundMaker; Essen BioScience, Inc., USA)를 이용하여 상처를 형성하였다.
양막상피세포 유래 엑소좀을 세포당 300 파티클을 처리하고 IncuCyte(Essen BioScience, Inc., Michigan, USA)를 통해 48시간 동안 관찰하며 세포 상처 치유력을 측정하였다.
그 결과, 도 7과 같이, 양막상피세포유래 엑소좀을 처리한 군과 대조군 사이에서 유의한 차이가 나타났다. 양막상피세포유래 엑소좀을 처리한 군이 상기 엑소좀을 처리하지 않은 대조군보다 상처 치유력이 증가하는 것은 확인할 수 있었다.
<실험예 5> 안구건조증 동물 모델에서 눈물 분비 측정
1. 안구건조증 동물 모델
8-12 주령의 수컷 BABL/c 마우스를 필터 상단 뚜껑이 있고 병원균이 없으며 음식을 자유롭게 섭취할 수 있는 곳에 사육하였다. 마우스에 스코폴라민(scopolamine) 패치(키미테, 명문제약주식회사, korea)를 9일 동안 부착시켜 0.25mg/day 농도의 스코폴라민에 노출시키는 동안 마우스를 환경 제어 가능한 챔버 (습도 평균 18.5±5%, 23℃±2.5℃, 풍속 20L/분)에서 사육하며 건조스트레스 상황을 만들었다. 스코플라빈 노출이 끝나면 마우스를 정상적인 사육환경(습도 평균 60±10%, 23℃±2.5℃)에서 관리하였다.
2. 양막상피세포 유래 엑소좀 처리
스코폴라민 패치와 건조스트레스에 노출되어 각막 상처가 생긴 마우스에 0.1μg (Exo.1), 1μg (Exo.2) 농도의 양막상피세포 유래 엑소좀, 10μM 덱사메타손(dexamethasone, Dex)을 처리하였다. 1회 처리시 5μl로 하루 3회 처리하였고, 최대 14일까지 처리하였다. 대조군에는 생리식염수(normal saline, NS)를 1회 5μl씩 하루 3회 처리하였다.
3. 눈물 분비 측정 실험
스코폴라민 패치와 건조스트레스에 10일간 노출된 마우스에 NS, DEX, Exo.1, Exo.2를 최대 14일간 처리하고 0일, 3일, 7일, 14일째 눈물 생성을 측정하였다.
페놀 레드(phenol red)-함침된 면사(cotton thread)를 마우스 안구 측면 cantus에 놓고 60초 간 측정하였다. 눈물에 의해 젖은 실은 붉게 변하고, 변화된 길이를 측정하여 평가하였다.
그 결과, 도 8과 같이, 안구건조증 유도 마우스는 눈물 분비가 줄어드는 양상을 보이는 것으로 나타났고, 엑소좀 처리된 안구건조증 유도 마우스는 눈물의 분비가 유도되는 것으로 나타났다. 안구건조증 치료제로 쓰이고 있는 Dex와 비교하였을 때, 14일 이상 장기 투여시, 엑소좀 처리군의 효과가 좋은 것으로 관찰되었다.
<실험예 6> 안구건조증 동물 모델에서 각막 리사민 그린(Lissamine green) 염색 분석
스코폴라민 패치와 건조스트레스에 10일간 노출된 마우스에 NS, DEX, Exo.1, Exo.2를 최대 14일간 처리하고 0일, 3일, 7일, 14일째 안구건조증 진단에 사용되는 리사민 그린(Lissamine green)으로 각막 염색을 수행하였다.
Lissamine green ophthalmic strips (optitech)을 사용해 염색하고 슬릿 램프 현미경 (Model 900 BQ; Switzerland)으로 확인하였다. 각막 Lissamine green 염색은 Oxford Scheme 등급 시스템 (2003, Grading Of Corneal and Conjunctival Staining in the Context of Other Dry Eye Tests.)에 따라 0에서 5까지 채점하였다. 염색이 없을 때 등급 0이 주어지며 최대 점수는 5이다.
그 결과, 도 9와 같이, 정상 마우스의 경우 Lissamine green에 거의 염색되지 않지만, 안구건조증이 유도된 마우스의 각막 표면은 높은 Lissamine green 염색 정도를 보였다. 안구건조증 유도 후 엑소좀 처리한 마우스의 경우 NS만 처리한 실험군에 비해 낮은 Lissamine green 염색 정도를 나타냈다. 안구건조증 치료제로 쓰이고 있는 Dex와 비교하였을 때, 7일 이상 투여 시 엑소좀 처리 마우스 군에서 효과가 좋은 것으로 관찰되었다.
<실험예 7> 안구건조증 동물 모델에서 결막 조직의 PAS (periodic acid Schiff) 염색 분석
스코폴라민 패치와 건조스트레스에 10일간 노출된 마우스에 NS, DEX, Exo.1, Exo.2를 최대 14일간 처리하고 0일, 3일, 7일, 14일째 희생시켜 결막 조직을 회수하였다. 수득된 결막 조직을 10% 포르말린에 고정시키고 파라핀에 임베딩(embedding) 시켰다. 조직을 7μm 두께로 절삭하여 비염색 슬라이드를 제조하고, 과아이오딘산 쉬프(periodic acid Schiff, PAS) 염색을 수행하였다. 제조사의 지시에 따라 시판 키트(Merck, Darmstadt, Germany)를 사용하여 결막 술잔세포(goblet cell)에 PAS 염색을 하고 염색된 부분을 광학 현미경을 사용하여 촬영하였다. 술잔세포에서 뮤신 합성의 주성분인 당단백질 및 글리코겐이 PAS 염색에 의해 붉게 염색되고 이 세포들을 계수하여 100μm당 술잔세포의 수로 술잔세포 밀도를 측정하였다.
그 결과, 도 10과 같이, 안구건조증 유도 마우스는 결막 술잔세포에서 뮤신 합성의 주성분인 당단백질 및 글리코겐 분포에 영향을 받는 것으로 나타났다. 안구건조증 유도 마우스에서 PAS 염색에 의해 탐색되는 술잔세포의 수는 정상 마우스의 2배수 이상으로 관찰되었다. 안구건조증 유도 후 엑소좀 처리된 마우스에서는 술잔세포의 수가 감소되는 것으로 나타났고, 안구건조증 치료제로 쓰이고 있는 Dex와 비교하였을 때, 1μg 농도의 엑소좀(Exo.2)은 Dex 만큼 효과가 있는 것으로 확인되었다.
<실험예 8> 안구건조증 동물 모델에서 눈물샘 조직의 알시안 블루(Alcian Blue) 염색 분석
스코폴라민 패치와 건조스트레스에 10일간 노출된 마우스에 NS, DEX, Exo.1, Exo.2를 최대 14일간 처리하고 0일, 3일, 7일, 14일째 희생시켜 눈물샘 조직을 회수하였다. 수득된 눈물샘 조직을 10% 포르말린에 고정시키고 파라핀에 임베딩 시켰다. 조직을 7μm 두께로 절삭하여 비염색 슬라이드를 제조하고, 알시안 블루(Alcian Blue) 염색을 수행한 후 염색된 부분을 광학 현미경을 사용하여 촬영하였다.
그 결과, 도 11과 같이, 안구건조증 유도 마우스의 눈물샘에서 눈물샘의 acinus 구조가 상당 부분 파괴되는 것을 확인할 수 있었고, Dex와 엑소좀 처리로 회복되는 것을 확인할 수 있었다. 엑소좀이 눈물샘 구조 유지 및 분비선 기능 유지에 영향을 주는 것으로 사료된다.
<실험예 9> 안구건조증 동물 모델의 각막 조직에서 사이토카인 분비 변화 확인
Reliaprep™ RNA 추출 시스템 (Promega, Fitchburg, WI, USA)을 사용하여 마우스 각막 조직으로부터 총 RNA를 추출하였다. 상기 조직을 차가운 PBS로 세척하고 제조사의 지시에 따라 RNA 추출을 수행하였다. cDNA는 cDNA 역전사 키트 (Applied Biosystems, Waltham, MA)를 사용하여 합성되었다. 마우스 각막에서의 사이토카인의 발현을 결정하기 위해, Power SYBR® Green PCR Master Mix (Applied Biosystems, CA, USA) 및 StepOnePlus™ Real-time PCR 시스템 (Applied Biosystems, CA, USA)을 사용하여 Real-time PCR을 수행하였다. PCR 반응은 제조사의 프로토콜에 따랐다.
그 결과, 도 12와 같이, 안구건조증 유도 마우스에서 높게 나타났던 사이토카인(cytokine) 농도가 Dex와 엑소좀 처리로 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 안구건조증 유도 마우스에서 엑소좀 처리는 사이토카인의 분비 감소에 영향을 주는 것으로 보인다.
<비교예 1> 간엽계 줄기세포 유래 엑소좀
1. ELISA 분석
인간 결막 세포주를 배양하여 양막상피세포 유래 엑소좀과 간엽계 줄기세포 유래 엑소좀 안구건조증과 관련된 사이토카인의 발현에 영향을 미치는지 여부를 확인하였다.
구체적으로, 무혈청 배지를 이용하여 배양된 인간 결막 세포주를 12시간 동안 기아상태로 유지한 다음, NaCl 70mM을 이용하여 안구건조증과 유사한 환경을 유도하였다. NaCl 처리 2시간 전, 양막상피세포 유래 엑소좀과 간엽계 줄기세포 유래 엑소좀을 처리하고, 24시간 배양한 다음, 세포 밖으로 배출된 IL-8의 농도변화를 확인하였다. 세포 배양에 사용된 배지를 수거한 다음, LEGEND MAX™ Human IL-8 ELISA kit with Pre-coated Plates(Biolegend, San Diego, CA, USA)를 이용하여 제조사의 프로토콜에 따라 ELISA를 수행하였다.
그 결과, 도 13과 같이, 양막상피세포 유래 엑소좀과 간엽계 줄기세포 유래 엑소좀을 처리한 안구건조증 모델에서, 염증성 사이토카인인 IL-8의 발현량 사이에 유의한 차이가 나타나지 않음을 확인하였다.
2. 상처 치유 분석
인간 결막 세포주를 배양하여 양막상피세포 유래 엑소좀과 간엽계 줄기세포 유래 엑소좀이 시험관 내 상처 치유력에 영향을 미치는지 여부를 확인하였다.
구체적으로, 인간 결막 세포주를 96 웰 세포배양 플레이트에 24시간 동안 인큐베이터에서 배양하여 세포 밀집단층(confluent monolayer)을 형성하면 4시간 동안 1% 혈청 배지로 교체하여 기아상태로 유지한 다음, 상처 형성 도구(WoundMaker; Essen BioScience, Inc., Michigan, USA)를 이용하여 상처를 형성하였다. 상기 방법으로 분리한 양막상피세포 유래 엑소좀과 간엽계 줄기세포 유래 엑소좀을 처리하고 IncuCyte(Essen BioScience, Inc., Michigan, USA)를 통해 48시간 동안 관찰하며 세포 상처 치유력을 측정하였다.
그 결과, 도 14와 같이, 양막상피세포 유래 엑소좀을 처리한 군과 중간엽 줄기 세포 유래 엑소좀을 처리한 군, 대조군 사이에서 유의한 차이가 나타났고, 양막상피세포 유래 엑소좀에서 상처 치유력이 가장 높은 것으로 관찰되었다.
이를 통해, 양막상피세포 유래 엑소좀은 간엽계 줄기세포 유래 엑소좀보다 안구질환 치료에 효과가 있는 것으로 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 즉, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다.
Claims (7)
- 양막상피세포 유래 엑소좀을 유효성분으로 함유하는 안구질환 예방 또는 치료용 약학 조성물로서,
상기 안구질환은 안구건조증, 각막 상피 손상, 각막염, 결막염, 및 각결막염으로 이루어진 군에서 선택되는 안구표면질환; 또는 안구내염, 포도막염, 및 황반변성으로 이루어진 군에서 선택되는 안내부질환;에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 안구질환 예방 또는 치료용 약학 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 엑소좀은,
각막 또는 결막 조직의 상처 치유력을 가지는 것을 특징으로 하는 안구질환 예방 또는 치료용 약학 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 엑소좀은,
상기 안구질환에 의해 파괴된 눈물샘 조직을 회복시키고, 눈물층의 안정화에 관여하는 술잔세포를 조절하며, 눈물 분비를 유도하는 것을 특징으로 하는 안구질환 예방 또는 치료용 약학 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 엑소좀은,
IL-1β, IL-8, IL-6, IFNγ 및 TNFα로 이루어진 군에서 선택되는 염증성 사이토카인 분비를 감소시키는 것을 특징으로 하는 안구질환 예방 또는 치료용 약학 조성물. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 조성물은,
점안제, 주사제, 과립제, 정제, 환제, 캡슐제, 겔, 시럽, 현탁제, 유제, 점적제 및 액제로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 제형인 것을 특징으로 하는 안구질환 예방 또는 치료용 약학 조성물. - 양막상피세포 유래 엑소좀을 유효성분으로 함유하는 안구질환 예방 또는 개선용 건강기능식품 조성물로서,
상기 안구질환은 안구건조증, 각막 상피 손상, 각막염, 결막염, 및 각결막염으로 이루어진 군에서 선택되는 안구표면질환; 또는 안구내염, 포도막염, 및 황반변성으로 이루어진 군에서 선택되는 안내부질환;에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 안구질환 예방 또는 개선용 건강기능식품 조성물.
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