Effect of carbon nanotubes impregnated with neural progenitor cells on recovery from ischemic injury

Abstract

[한글]

허혈성 뇌질환은 세포사멸로 인한 심각한 신경 조직의 손실, 신경 조직간의 시냅스가 파괴되는 등 심각한 결과를 초래하지만, 아직까지 뚜렷한 치료법이 없는 실정이다. 최근 연구들에서 줄기세포를 이용한 세포치료 연구가 활성화되면서 성인 뇌조직 내에도 성인 뇌의 뇌실하지역 (subventricular zone)과 해마의 치아이랑(dentate gyrus) 부위에서 분열 기능을 가지고 있는 세포들이 존재한다는 보고가 있다. 그러나 사람 성인 뇌에 있는 줄기세포의 수는 매우 적어 획득하기 어렵고, 또한 외부에서 세포를 이식할 경우, 이식된 세포가 얼마나 오래 사는지, 손상된 부위로 잘 이주해 가는지, 적절한 세포로 분화가 되는지, 적절한 연결을 통해 목표한 기능을 수행할 수 있는지가 문제가 될 수 있다. 따라서 현재 많은 각광을 받고 있는 나노테크놀로지를 세포치료에 적용해 줄기세포의 이주능력 향상, 신경전달을 방해하는 아교 조직 형성의 감소, 기존의 신경 조직과의 연결성을 증가시킴으로써, 실험동물의 운동능력을 향상시키고자 하였다. 본 연구에서는 다양한 표면에너지를 갖는 탄소나노튜브와 신경줄기세포 사이의 상호작용을 확인하고, 뇌질환동물모델에서 손상된 뇌조직에 탄소나노튜브와 신경줄기세포를 이식할 경우, 탄소나노튜브의 조직 적합성 및 생체 내에서 탄소나노튜브의 기질 작용을 확인함으로써 뇌질환의 세포치료시 탄소나노튜브가 줄기세포의 정착과 분화를 유도하는 보조제로서의 효능을 확인하고자 하였다. 또한 실제 뇌신경계 손상 동물 모델에 대한 적용을 통해 세포치료 보조제로서의 효과를 확인하여 새로운 세포치료기술을 확립하고자 하였다. 따라서 뇌허혈 손상을 유발한 동물 모델에 소수성 탄소나노튜브와 친수성 탄소나노튜브를 뇌실하지역 신경전구세포와 함께 이식하여 1, 3, 5, 8주 경과 후 결과를 관찰하였다. 대체적으로 친수성 탄소나노튜브를 이식한 경우보다는 소수성 나노튜브를 이식한 결과에서 줄기세포의 분화 정도, 손상받은 조직의 재생, 아교 조직의 감소, 기존의 조직과 시냅스를 연결하는 면에서 더욱 우수한 기능을 가지고 있었다. 그리고 이로 인해 동물 모델의 운동능력 또한 향상되었다. 이와 같은 결과로부터 탄소나노튜브의 표면에너지와 성질에 따라 신경전구세포의 분화를 자극함을 알 수 있었고, 이와 같이 서로 다른 표면 성질을 갖는 탄소나노튜브의 분화 촉진이 손상받은 뇌조직의 형태적, 기능적 향상을 초래한 것으로 생각된다. 이 연구의 결과를 통해 탄소나노튜브의 조직적합성을 규명할 뿐만 아니라 생체적합물질의 표면 에너지 및 성질을 조절함으로써 세포 치료의 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대된다,

[영문]Ischemic injury can cause massive damage from extensive tissue loss, following the neuronal cells and the connections that reside there. To better repair following stroke injury, stroke damaged animal models were transplanted with carbon nanotubes (CNTs) and subventricular zone (SVZ) neural progenitor cells for this study. In recent studies, various nanomaterials could influence the cell attachment, proliferation and differentiation of stem cells in vitro and vivo. Particularly in this study, it was focused to prove that wettability of CNTs might stimulate not only the differentiation and proliferation of SVZ neural progenitor cells, but also recovery in vivo. Animals were transplanted with hydrophobic or hydrophilic CNT-SVZ neural progenitor cells, or SVZ neural progenitor cells alone, at 1, 3, 5 or 8 weeks postinjury. To analyze behavioral performances, treadmill test, rotarod and vibrissae-stimulated forelimb placing test were executed after MCAO. Hydrophobic CNTs plus cell transplantation group presented better improvement of movement than neural progenitor cell-alone or lesion-induced groups. In the analysis of infarction cyst volume and area, the stem cell-alone and both CNTs plus cell treated groups exhibited a significant reduction in infarct cyst volume and area compared with non-treated group.To investigate whether the wettability of CNTs transplanted with neural progenitor cells involved the differentiation and proliferation of SVZ neural progenitor cells, double immunocytochemical staining was performed with anti-BrdU antibody for donor-derived cells and neuronal marker TUJ1 or astroglial marker GFAP antibodies. Both hydrophobic or hydrophilic CNT plus cell groups proved co-immunopositive staining for an antibody against neuron and astroglial cell respectively within the injury epicenter and around CNTs. However, hydrophobic CNT interacted with neural progenitor cells which collectively broaden around the ischemic injured brain and helped the neural progenitor cells locating in the brain to differentiate to become mature neural cells three weeks after implantation. Also, histological analysis supported that implantation of the hydrophobic CNT-SVZ neural progenitor cells unit into a stroke injured adult rat brain promoted functional recovery, and decreased infarction cavity and scar tissue formation compared to lesion-control group. Moreover, synapse formation was increased in hydrophobic CNT plus cell group. These results displayed that cell derived from neural progenitor cells exhibited the differentiation of functional neurons and synapse formation depended on wettability of CNTs.Carbon nanotubes interrelated with SVZ neural progenitor cells, which surrounded the CNT in the ischemic injured brain and helped the neural progenitor cells connect to host. These findings show a possible role of CNTs in the differentiation and recoverable ability of SVZ neural progenitor cells. These results might suggest that carbon nanotubes based materials could be used as a novel biocompatible nanophase material designed with potential for brain regeneration.