Sustained Delivery of Plasmid IGF-1 into Cardiac Stem Cells via Cell Permeable Peptide Complexes for Myocardial Regeneration

Abstract

Recent studies on gene and cell therapy has been the promise of heart repair after myocardial infarction by its ability of angiogenesis, proliferation and mobilization of stem cells. Insulin-like growth factor-1 (IGF-1) has been emphasized for tissue growth and protection. However, due to its short half-lives in vivo and the necessity of prolonged release during cardiac repair process, a controlled gene delivery system using a PLLA scaffold encapsulating plasmid IGF-1/cell-permeable peptides (CPP) complexes was developed to allow localized plasmid IGF-1 delivery and a sustained uptake into the cells. The novel CPP was used as a potential non-viral vector which increased the transfection efficiency. Plasmid IGF-1 was bound to the CPP at the charge ratio of 1:10 (-/+) and its cellular uptake was proven by fluorescence microscopy. The scaffold was degraded to 67.8% over 42 days. Plasmid IGF-1/CPP complexes were released from the scaffolds for 21 days and were transfected into CSCs, therefore elevating the expression of IGF-1 protein for a prolonged time relative to bolus group. Also, increased stem cell proliferation and elevated secretion of angiogenic cytokines was observed in this system. We anticipate that the cardiac tissue repair may be advanced by this novel strategy of gene delivery which improves the regenerative responses of cardiac stem cells.;최근 유전자와 세포 치료에 관한 많은 연구가 이루어지고 있고, 이를 이용한 혈관 재생, 세포 증식, 줄기 세포 이동으로 심근 경색을 치료하는 방안에 대한 관심이 증가하고 있다. 인슐린유사성장인자는 조직 성장과 보호 능력을 나타내는 것으로 알려져 있으나, 생체 내에서의 짧은 반감기와 재생 과정의 초, 중기에 작용하는 특성으로 인해 섬유형 지지체를 이용한 유전자의 조절 방출 시스템이 필요하다. 고분자의 생분해에 따라 국소적으로 서서히 방출된 유전자가 심장줄기세포에 도입되어 세포가 장기간 단백질을 발현하게 된다. 본 연구에서는 PLLA를 이용한 섬유형 지지체에 인슐린유사성장인자 유전자를 봉입하여 유전자의 조절 방출 시스템을 도입하였으며, 세포투과성펩티드를 유전자의 세포 도입율을 증가시키기 위한 비바이러스성 벡터로 사용하였다. 유전자와 세포투과성펩티드가 일정 비율로 복합체를 형성하여 다른 비바이러스성 벡터를 사용하였을 때보다 효율적으로 세포 내로 도입되는 것을 형광을 통해 확인하였으며, 고분자로부터의 유전자 방출 패턴을 확인하였다. 또한 섬유형 지지체가 세포 증식에 적합하며 생체 내에서 서서히 분해됨을 확인하였다. 조절 방출 시스템에서의 세포가 유전자를 일시에 주입한 경우보다 지속적으로 유전자를 발현하며, 또한 심장줄기세포의 증식과 신생혈관 생성을 촉진하는 인자들의 분비를 촉진한다는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 고분자 섬유형 지지체를 기반으로 한 유전자 조절 방출 시스템이 생체에 적합하며 지속적인 단백질 생성이 가능함을 확인하였으며, 본 실험에서 유전자 발현 세포로 이용된 심장유래줄기세포의 증식과 혈관 생성 등의 재생 반응을 촉진하여 심근 경색 부위의 조직 재생능을 향상시킬 수 있음을 증명하였다.