자성(磁性)표지를 이용한 활막 유래 줄기세포의 연골결손 부위로의 표적 전달

Abstract

Purpose We investigated superparamagnetic iron-oxide (SPIO) nanoparticles for labeling synovium-derived mesenchymal stem cells (SMSCs) regarding labeling efficiency, cell toxicity and the effect on chondrogenic differentiation. We also examined whether it is possible to successfully deliver the magnetically-labeled SMSCs to a cartilage defect and have them differentiate into cartilage tissue after intra-articular injection of cells under the influence of a magnetic force. Methods Cells that were isolated from synovium obtained during total knee arthroplasty surgeries were expanded in vitro. The SMSCs were labeled by the Food and Drug Administration–approved SPIO contrast agent ferucarbotran (Fe) in combination with protamine sulfate (Pro) as a transfection agent. The effects of labeling condition and external magnetic force on cell viability and chondrogenic differentiation capacity of magnetically-labeled SMSCs were investigated. Cartilage defects were made in the center of swine (ex vivo) and rabbit (in vivo) patellae. Magnetically-labeled SMSCs were injected into the knee joint under the direction of an applied external magnetic force, and macroscopic and histological examinations were performed after specific time periods have lapsed. Results Magnetic labeling efficiency was the highest without any cell toxicity when 500 µg/ml of Fe and 5 µg/ml of Pro were combined. Also, a 0.5 T magnet located less than 20 mm apart from the defect site was effective for accumulation of magnetically-labeled cells without adverse effects. The injected magnetically-labeled SMSCs successfully accumulated to the cartilage defect under influence of an external magnetic force. Conclusion Magnetic labeling using SPIO may be applicable for targeted cell-based therapies in the field of articular cartilage repair and SMSCs can be a promising source to promote cartilage repair.

목적 본 연구는 초상자성 나노 입자를 무균 분리 배양한 활막 유래 줄기세포에 표지하여 자성을 띄게끔 한 후 자성표지법의 세포독성 및 연골 조직 분화능에 대한 영향을 평가하였다. 또한 형성된 자성 표지 활막 유래 줄기세포를 관절 내 주입하고 외부에서 자기장을 가하여 연골결손 부위로의 표적 전달 가능 여부 및 연골조직 형성 여부를 알아보고자 하였다. 재료 및 방법 인공슬관절 전치환술 수술 중 채취된 활막으로부터 중간엽 줄기세포를 분리하고 in vitro 배양한 후, 초상자성 나노 입자의 일종인 ferucarbotran과 transfection agent인 protamine sulfate를 결합하여 자성 표지 하였다. 초상자성 나노 입자 표지의 세포독성과 연골분화에 미치는 영향을 평가하고 이를 토대로 독성이 없으며 가장 높은 연골분화 효율이 기대되는 자성 표지 조건을 선정하였다. 또한 외부 자기장의 자성 표지세포에 대한 독성, 연골분화능 및 표적 부위로의 이동 가능 여부를 평가하였다. 이어 동물 실험으로 돼지(ex vivo)와 토끼(in vivo)의 슬개골에 부분 층 연골 결손을 형성하고 슬개골 상부 피부에 자석을 부착한 상태에서 자성 표지 활막 유래 줄기세포를 관절 내 주입하여 결손 부위로의 표적 유도 효과와 연골 형성 여부를 관찰하였다. 결 과 500 µg/ml의 ferucarbotran과 5 µg/ml의 protamine sulfate를 세포와 결합하였을 때 세포 독성 없이 가장 효율적인 자성 표지를 얻을 수 있었으며 줄기 세포의 연골분화에도 영향을 미치지 않았다. 또한 0.5T 영구 자석에 의한 자기장 하에서 자성 표지 활막 유래 줄기세포의 원하는 부위로의 표적 이동이 가능하며 세포에 대한 독성 없이 연골분화가 가능하였다. 동물실험 결과 관절 내 주입한 자성 표지 활막 유래 줄기세포는 외부 자력에 의하여 원하는 연골 결손 부위로의 표적 전달이 가능함을 확인하였다. 결 론 초상자성 나노 입자를 이용한 활막 유래 줄기세포에 대한 자성 표지 기법을 이용하여 원하는 연골 결손 부위로의 세포 표적 전달이 가능함을 확인하였으며 향후 추가 연구 및 임상 적용을 통해 관절 연골 손상에 대한 세포 기반 치료법 개발에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.