[학위논문]급성 심근경색 질환에서 세포 및 측분비 기반 치료에 의한 심장기능 향상 효과 규명 Improving cardiac functions in acute myocardial infarction through direct cellular and paracrine based therapy원문보기
홍기성
(CHA University
Major in Biomedical Science, Department of Biomedical Science
국내박사)
심근경색은 관상동맥 폐쇄가 일정시간 이상 지속됨으로써 심장 전체 또는 일부분에 산소와 영양 공급이 줄어들어 결과적으로 심근세포가 괴사 (necrosis)되는 상태를 말한다. 심근경색 치료를 위한 비임상 연구에 있어 이식된 세포의 정확한 치료적 효과를 규명하고 평가하는 것은 매우 중요하다. 종래 심근경색 치료를 위한 세포의 이식에는 ...
심근경색은 관상동맥 폐쇄가 일정시간 이상 지속됨으로써 심장 전체 또는 일부분에 산소와 영양 공급이 줄어들어 결과적으로 심근세포가 괴사 (necrosis)되는 상태를 말한다. 심근경색 치료를 위한 비임상 연구에 있어 이식된 세포의 정확한 치료적 효과를 규명하고 평가하는 것은 매우 중요하다. 종래 심근경색 치료를 위한 세포의 이식에는 관상동맥 조영술을 이용하여 괴사 된 관상동맥 주위에 세포를 투여하는 방법과 개흉하여 심장을 노출시킨 후 스트레이트 커브형 주사기를 사용하여 허혈 손상 된 심근 부위에 줄기세포를 직접 주입하는 방법이 사용되었으나, 손상 된 심장 부위에 스트레이트 커브형 주사기를 사용하여 이식하는 방법의 경우 세포 주입 후 과도한 출혈 및 심장박동으로 인해 많은 양의 세포액이 심외막 밖으로 빠져 나오기 때문에 실제 심근 내 잔존하는 세포의 양은 주입한 세포 양에 비해 현저히 감소하게 되어, 적절한 양의 세포의 생착 및 그에 따른 기능적 평가를 기대하는데 어려움이 많다. 따라서 효과적으로 심근경색 부위에 세포를 전달하기 위해 나선형의 주사바늘을 가진 주사기를 개발하고 이것을 이용하여 인간 배아줄기세포 유래 혈관전구세포를 이식하였다. 동량의 세포액을 각기 다른 주사바늘로 이식하였을 때, 스트레이트 커브형 주사기의 경우 세포액의 전달이 용이하지 않았던 반면, 나선형 주사기의 경우 세포액의 손실이 거의 없었으며, 심장벽 두께 및 심근 석회화 정도가 스트레이트 커브형 주사기를 사용한 군보다 1.5배 이상 증가 및 감소한 치료적 효능을 나타내었다. 하지만, 이것이 이식 된 세포의 생착 및 분화에 의한 것인지, 세포가 분비해 내는 유용한 사이토카인에 의한 것인지 명확히 확인하기 위해 히알루론산을 기초로 한 나노 전달체를 제작하여 세포치료에 효과적이라고 보고된 여러 가지 사이토카인 중 5가지 조합(HGF, IL-6, VEGF, IGF-1 and FGF7)을 흡수 시킨 후, 경색된 심근부위에 전달하였다. 이식 후 심근의 기능성 평가를 위해 pressure -volume (P-V) 카테터를 이용해 좌심실의 기능을 평가한 결과 심박수 (HR), 박출계수 (EF), 박출량(SV) 등 대부분의 지표에서 대조군에 비해 2배 이상 증가한 유의성 있는 결과를 보였으며, 세포를 이식한 그룹보다 경색부위 주변에 혈관 신생이 유의적으로 증가한 것을 확인하였다. 본 연구는 이식을 위한 새로운 기구 및 히알루론산 기반의 나노물질 개발을 통해 세포 및 세포분비물 뿐만 아니라 치료에 필요한 약물 등을 정확히 전달할 수 있는 기초적 단초를 제공하였으며, 나노기술과 바이오기술 융합을 통한 세포치료에 가능성 있는 유효한 모델을 제시하였다.
심근경색은 관상동맥 폐쇄가 일정시간 이상 지속됨으로써 심장 전체 또는 일부분에 산소와 영양 공급이 줄어들어 결과적으로 심근세포가 괴사 (necrosis)되는 상태를 말한다. 심근경색 치료를 위한 비임상 연구에 있어 이식된 세포의 정확한 치료적 효과를 규명하고 평가하는 것은 매우 중요하다. 종래 심근경색 치료를 위한 세포의 이식에는 관상동맥 조영술을 이용하여 괴사 된 관상동맥 주위에 세포를 투여하는 방법과 개흉하여 심장을 노출시킨 후 스트레이트 커브형 주사기를 사용하여 허혈 손상 된 심근 부위에 줄기세포를 직접 주입하는 방법이 사용되었으나, 손상 된 심장 부위에 스트레이트 커브형 주사기를 사용하여 이식하는 방법의 경우 세포 주입 후 과도한 출혈 및 심장박동으로 인해 많은 양의 세포액이 심외막 밖으로 빠져 나오기 때문에 실제 심근 내 잔존하는 세포의 양은 주입한 세포 양에 비해 현저히 감소하게 되어, 적절한 양의 세포의 생착 및 그에 따른 기능적 평가를 기대하는데 어려움이 많다. 따라서 효과적으로 심근경색 부위에 세포를 전달하기 위해 나선형의 주사바늘을 가진 주사기를 개발하고 이것을 이용하여 인간 배아줄기세포 유래 혈관전구세포를 이식하였다. 동량의 세포액을 각기 다른 주사바늘로 이식하였을 때, 스트레이트 커브형 주사기의 경우 세포액의 전달이 용이하지 않았던 반면, 나선형 주사기의 경우 세포액의 손실이 거의 없었으며, 심장벽 두께 및 심근 석회화 정도가 스트레이트 커브형 주사기를 사용한 군보다 1.5배 이상 증가 및 감소한 치료적 효능을 나타내었다. 하지만, 이것이 이식 된 세포의 생착 및 분화에 의한 것인지, 세포가 분비해 내는 유용한 사이토카인에 의한 것인지 명확히 확인하기 위해 히알루론산을 기초로 한 나노 전달체를 제작하여 세포치료에 효과적이라고 보고된 여러 가지 사이토카인 중 5가지 조합(HGF, IL-6, VEGF, IGF-1 and FGF7)을 흡수 시킨 후, 경색된 심근부위에 전달하였다. 이식 후 심근의 기능성 평가를 위해 pressure -volume (P-V) 카테터를 이용해 좌심실의 기능을 평가한 결과 심박수 (HR), 박출계수 (EF), 박출량(SV) 등 대부분의 지표에서 대조군에 비해 2배 이상 증가한 유의성 있는 결과를 보였으며, 세포를 이식한 그룹보다 경색부위 주변에 혈관 신생이 유의적으로 증가한 것을 확인하였다. 본 연구는 이식을 위한 새로운 기구 및 히알루론산 기반의 나노물질 개발을 통해 세포 및 세포분비물 뿐만 아니라 치료에 필요한 약물 등을 정확히 전달할 수 있는 기초적 단초를 제공하였으며, 나노기술과 바이오기술 융합을 통한 세포치료에 가능성 있는 유효한 모델을 제시하였다.
Cell therapy for ischemic heart failure and evaluation of the precise therapeutic effects (both cellular and paracrine) of transplanted cells in animal models are important issues. However, the traditional injection needles that are widely used in clinical practice for cell therapy tend to reduce th...
Cell therapy for ischemic heart failure and evaluation of the precise therapeutic effects (both cellular and paracrine) of transplanted cells in animal models are important issues. However, the traditional injection needles that are widely used in clinical practice for cell therapy tend to reduce the amount of functional cells relative to the initially injected amount. Therefore, effective cell delivery systems are necessary to transplant cells into the infarct zone of the myocardium without cell loss. To address these issues, we developed a new surgical instrument to improve cell delivery. After inducing acute myocardial infarction in a rat model, human embryonic stem cell-derived endothelial cells were injected into the infarcted regions with a screw or straight-curved needle. When an equal volume of cells was transplanted, the screw group suffered only minimal cell loss. The infarcted rat hearts of the screw group showed improvement with respect to LV wall thickness (74.51±6.23%) compared with the straight-curved group (64.41±7.8%). In addition, the epicardium scar length was significantly smaller in the screw group (screw, 19.28 ± 2.8%; straight-curved, 24.57±6.4%). Moreover, the transplanted cells had a screw-like pattern with sufficient cell mass around the ischemic region. We suggest that even a simple change in the structure of an instrument can have a large impact on transplantation efficiency and that cell delivery systems using the screw-needle technique would aid in preventing stem cells from being ejected out of the transplanted region while increasing functional survival. It has also been reported that paracrine effects of transplanted cells can lead to heart repair. To assess this, we used Hyaluronic acid (HA) to make nanospheres containing cardiovascular related proteins (HGF, IL-6, VEFG, IGF-1 and FGF7), and examined its potential in improving cardiac function post-myocardial infarction in a rat model. HA is a major component of the extracellular matrix that is non-immunogenic, and has been implicated in various healing functions such as angiogenesis and inflammation modulation, making it an ideal candidate for regenerative biomaterials. Cardiac function in control (n=8) and experimental groups (n=8) was evaluated up to 4 weeks post-myocardial infarction. Evaluation of cardiac function using a 1.9-F Scisense rat pressure-volume (P-V) catheter revealed a 18.3% increase in ejection fraction in Nano+Cytokines group when compared with the MI control group. Histological analysis of fibrosis area (16.64±3.76%, p<0.01), scar length (19.86±4.19, p<0.01) and wall thickness (65.7±5.64%, p<0.001) demonstrated decreased. SMA (Smooth muscle actin) staining indicated a significant increase in novel vasculature formation in Nano+Cytokines group when compared with MI control. Due to its regenerative potential, hyaluronic acid-based nano sphere provides a promising novel therapy to be used alone, or as a scaffold delivering a variety of drugs or cells to combat heart disease in a multifaceted approach.
Cell therapy for ischemic heart failure and evaluation of the precise therapeutic effects (both cellular and paracrine) of transplanted cells in animal models are important issues. However, the traditional injection needles that are widely used in clinical practice for cell therapy tend to reduce the amount of functional cells relative to the initially injected amount. Therefore, effective cell delivery systems are necessary to transplant cells into the infarct zone of the myocardium without cell loss. To address these issues, we developed a new surgical instrument to improve cell delivery. After inducing acute myocardial infarction in a rat model, human embryonic stem cell-derived endothelial cells were injected into the infarcted regions with a screw or straight-curved needle. When an equal volume of cells was transplanted, the screw group suffered only minimal cell loss. The infarcted rat hearts of the screw group showed improvement with respect to LV wall thickness (74.51±6.23%) compared with the straight-curved group (64.41±7.8%). In addition, the epicardium scar length was significantly smaller in the screw group (screw, 19.28 ± 2.8%; straight-curved, 24.57±6.4%). Moreover, the transplanted cells had a screw-like pattern with sufficient cell mass around the ischemic region. We suggest that even a simple change in the structure of an instrument can have a large impact on transplantation efficiency and that cell delivery systems using the screw-needle technique would aid in preventing stem cells from being ejected out of the transplanted region while increasing functional survival. It has also been reported that paracrine effects of transplanted cells can lead to heart repair. To assess this, we used Hyaluronic acid (HA) to make nanospheres containing cardiovascular related proteins (HGF, IL-6, VEFG, IGF-1 and FGF7), and examined its potential in improving cardiac function post-myocardial infarction in a rat model. HA is a major component of the extracellular matrix that is non-immunogenic, and has been implicated in various healing functions such as angiogenesis and inflammation modulation, making it an ideal candidate for regenerative biomaterials. Cardiac function in control (n=8) and experimental groups (n=8) was evaluated up to 4 weeks post-myocardial infarction. Evaluation of cardiac function using a 1.9-F Scisense rat pressure-volume (P-V) catheter revealed a 18.3% increase in ejection fraction in Nano+Cytokines group when compared with the MI control group. Histological analysis of fibrosis area (16.64±3.76%, p<0.01), scar length (19.86±4.19, p<0.01) and wall thickness (65.7±5.64%, p<0.001) demonstrated decreased. SMA (Smooth muscle actin) staining indicated a significant increase in novel vasculature formation in Nano+Cytokines group when compared with MI control. Due to its regenerative potential, hyaluronic acid-based nano sphere provides a promising novel therapy to be used alone, or as a scaffold delivering a variety of drugs or cells to combat heart disease in a multifaceted approach.
학위논문 정보
저자
홍기성
학위수여기관
CHA University
학위구분
국내박사
학과
Major in Biomedical Science, Department of Biomedical Science
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.