Scaffold-supported delivery of cardiac stem cells and VEGF for enhanced cardiac repair

Abstract

Cardiovascular disease, including myocardial infarction is the major cause of death worldwide. Various therapeutic strategies such as pharmacological or surgical treatment have been studied. But unsatisfied results and insufficient organ donors are the limits. Stem cell therapy is a promising strategy for cardiac tissue repair. For the successful therapy, critical factors including cell type, cell dose, cell-delivery route and cell viability in vivo are considered. In this study, cardiac resident stem cell (CSC) was used because of its excellent differentiation potential and properties. To promote efficiency of stem cell therapy, 3-D structural mat were designed and CSCs were delivered via 3-D mat to the target organ. Cardiomyogenesis and cardiac function improvement were evaluated. Moreover, to enhance the engraft cell proliferation and angiogenesis, bioactive molecules were loaded in the mat. The encapsulated biomolecules showed sustained release kinetics. It affected on the neo-vessel formation and cardiac tissue regeneration in in vivo study. The results suggest that these engineered biomaterials are remarkable strategies of stem cell therapy for cardiac tissue repair.;최근 다양한 난치성 및 만성 질환의 치료를 목적으로 한 재생 의학의 연구 및 임상 적용이 활발히 진행되고 있다. 그 중 심장 질환은 전 세계적으로 발병률 및 사망률이 높은 난치성 질환이며, 회복이 불가능한 심장 질환의 경우 장기 이식 만이 유일한 치료법이다. 기존의 약물 요법은 근본적인 치료 효과 측면에서, 장기 이식은 공여자의 부족에서 한계가 있다. 줄기세포 치료는 기존 치료법의 한계를 극복할 수 있는 치료법으로 기대되지만, 임상 시험 결과 심장 조직의 재생과 심기능 향상은 제한적이었다. 이에 줄기세포 치료의 효과를 높이기 위한 조직 공학 기술의 요구가 높아졌다. 본 연구에서는 급성심근경색에서의 줄기세포 치료의 효과를 향상시키기 위한 세포의 종류, 세포 전달 방법, 세포의 기능 및 생존을 높이기 위한 지지체, 재생 효과를 높일 수 있는 생리활성 물질 전달 기술을 제시하였다. 심장 줄기세포는 심장 조직 구성 세포로의 분화능이 뛰어난 세포로서 심근 재생 치료의 좋은 후보이다. 본 연구는 심장 줄기세포를 효과적으로 심근 부위에 전달 할 수 있도록 조직 특이성 삼차원 매트형 지지체를 개발하였다. 삼차원 구조의 매트는 세포 기능 및 생존을 유지하면서도 많은 양의 세포를 손실 없이 전달함을 in vitro에서 확인하였다. 급성심근경색 동물 모델에 이식하여 생체 내에서의 줄기세포의 생존 및 전달, 심장 재생 효과, 심기능 향상을 확인하였다. 염색 표지 후 이식된 심장 줄기세포는 이식 4주 후 이식한 매트 내부 및 주변 심근 조직에서도 관찰되었으며, 심근 유사 조직으로 분화된 것이 관찰되었다. 또한 심근의 확장 정도 및 섬유 조직 부위가 감소하였으며, 급성 심근 경색으로 인해 얇아진 심벽의 두께가 증가하였다. 초음파로 좌심실 구혈률 (LV Ejection fraction) 및 분획단축율 (Fractional shortening)를 측정한 결과, 각 수치가 증가하였다. 이 결과로 조직 특이성 삼차원 매트를 통한 심장 줄기세포의 전달이 심근 재생 및 좌심실 수축 기능 회복에 기여 함을 확인하였다. 심장 줄기세포의 증식 및 이식을 높이고, 혈관 재생을 높이기 위해 혈관 내피 성장인자 (VEGF)를 서방출하기 위한 시스템을 매트에 도입하였다. 삼차원 매트에 생리활성 단백질이 고르게 잘 함입되었으며, 도입한 VEGF는 활성을 유지하면서 3주 이상 서방출 되었고, in vitro에서의 심장줄기세포의 증식을 향상시킴을 확인하였다. 급성 심근 경색 모델에 이식한 VEGF 함입 삼차원 매트는 대조군으로서의 매트에 비해 월등히 높은 혈관 재생율을 유도하였으며, 좌심실 벽 두께의 증가, 섬유 부위의 감소 등 심장 조직 재생이 유도됨을 확인하였다. VEGF 함입군에서의 좌심실 구혈률 및 분획단축율이 향상됨을 확인하였으며, 이는 VEGF로 인한 심장 줄기세포의 증식력 향상 및 혈관재생 유도 작용 등의 효과로 판단된다. 본 연구에서 제시한 삼차원 구조의 매트형 지지체는 생체 내에서의 세포 전달력 및 생존율을 높이며, 생체 활성 물질을 함유한 삼차원 지지체는 조직 재생 유도 기능성을 더하여 심근 조직 재생 및 심기능을 향상시킴을 확인하였다. 이 줄기세포 전달 기술 및 생리 활성 물질 전달 시스템은 다양한 조직에서의 줄기세포 치료 및 조직 재생 의학적 응용이 가능할 것으로 기대된다.