Scaffold supported delivery of stem cells and bioactive agents for neuronal disorders

Abstract

Neurotrauma such as brain injury and spinal cord injury is highly ranked disease in mortality and drastically decrease patient’s quality of life. Nowadays, developed neuroprotective strategies have some limitations. As brain injury and spinal cord injury have different pathological physiologies in injured site, different types of scaffold, delivered therapeutic agents and stem cells are needed respectively. For brain injury, Neurogenin1 (Ngn1)/PTD complex was used to improve efficiency of differentiation stem cells to neuronal stem cells. PTD mediated gene delivery induce efficient transfection and low toxicity, Ngn1/PTD promotes neuronal regeneration. Sustained released Ngn1/PTD complexes enables F11 cells to be differentiated to neuronal stem cells in long term. Combination of PTD mediated gene delivery, cell therapy supported by PLLA 3D scaffold. For spinal cord injury, we investigated combination therapy of drug and stem cell therapy. To minimize secondary injuries after first injuries, early delivered methylprednisolone nanoparticles suppresses to inflammation to scar formation. Localized delivery enables to avoid side effects of systemically high dose of methylprednisolone and provide more efficient drug affect. Polymer based NCSCs delivery allows cells to adhere and differentiated better and delivered stem cells differentiated into neuronal stem cells and promote neuronal regeneration. Combination of cell therapy and sustained gene delivery supported by scaffold and combination of drug delivery and cell therapy supported by scaffold show synergistic effects for tissue engineering in injured brain and injured spinal cord respectively.;외상성 뇌손상 또는 척수손상같은 신경손상은 치명률이 높을 뿐 아니라환자의 삶의 질을 떨어뜨리는 질병으로 조직공학에서 매우 중요한 분야지만 최근까지 개발된 신경보호학적 기술을 매우 제한적인 실정이다. 뇌손상 질환과 척수손상은 다른 병리학적 특성을 나타내기 때문에 그에 적합한 치료약물과 지지체, 줄기세포를 전달하는 것이 매우 중요하다. 뇌손상 질환모델에는 고분자 지지체를 이용해 고분자가 생분해됨에 따라 입자 안에 봉입된 유전자가 서서히 방출되어 손상부위에서 국소적으로 오랫동안 약효를 지속가능하게 하도록 연구하였다. 본연구에서는 신경세포로 세포분화를 촉진하는 유전자 뉴로제닌과 비바이러스성 세포투과성펩타이드와 안정적인 복합체를 형성하여 세포 내로 높은 효율로 도입하여 치료효과를 나타낼 수 있음이 확인되었다. 세포분화를 촉진하는 유전자를 통해 신경 줄기 전구세포가 신경세포로 분화함으로써 손상부위의 조직 재생효과를 기대할 수 있다. 삼차원적인 지지체의 생적합성과 더불어 치료약물이 오랫동안 방출되어 세포분화를 촉진시킴과 세포자체의 치료효과가 합쳐서 뇌질환에 적용되면 상조적 치료효과를 나타낼 것이다. 척수 손상 모델에서는 약물과 신경 전구 줄기세포를 혼합하여 사용하여 상승적인 치료효과를 내었다. 주로 물리학적인 손상으로 일어나는 일차손상 이후에 나타나는 이차손상을 막기 위해 초기에 약물을 주입하는 것은 매우 중요하지만 전신적으로 과량의 약물을 투여해야함으로 많은 부작용이 있다. 따라서 본 연구에서는 나노입자에 항염증약물을 봉입하여 국소적으로 약물효과를 나타나는 소량의 약물이 초기에 방출되게 조절함으로써 이차손상을 최소화하는 치료효과를 기대하였다. 또한 섬유지지체에 신경 전구 세포를 전달하여 세포의 증식과 분화를 도와 상조적인 세포 치료효과를 기대하였다. 동물실험을 통해 약물과 세포와 삼차원 지지체의 상조적인 치료효과를 확인하였으며 척수손상환자에 사용되어 이차 손상을 줄이며 조직 재생을 유도할 수 있다.