Differentiation of adipose-derived stem cells into functional chondrocytes by Sox9-induced small molecule

Abstract

퇴행성 관절염은 관절 연골 및 관절 밑의 뼈의 붕괴로 인해 발생되는 일반적인 관절 질환이다. 관절 연골에 손상이 발생할 때, 연골세포는 비대화 연골세포로 형질변화가 유도되어 RUNX2 및 X 형 콜라겐의 발현을 증가시키게 된다. 비대화 연골세포는 세포 외 기질을 분해하는 효소인 MMP13 및 ADAMTS4 와 ADMATS5를 분비하여 관절의 분해 및 석회화를 유도한다. 성인의 연골과 연골세포는 자체적으로 재생 능력이 없기 때문에 퇴행성 관절염을 치료하기 위하여 다양한 방법들이 시행되어 왔다. 최근 연구들에서 줄기세포를 사용한 퇴행성 관절염 치료법을 연구해오고 있다. 지금까지 줄기세포를 기능성 연골세포로 분화 유도하기 위해 특정 인자들의 발현조절, microRNA, 저분자 화합물을 이용하여 다양한 방법을 시도해왔다. 그러나, 현재까지 줄기세포에서 기능성 연골세포로의 분화 유도 연구에 있어 가장 큰 문제점은 분화된 연골세포에서 비대화 연골세포의 특성이 나타나는 점이다. 따라서, 줄기세포를 이용한 비대화 연골세포의 특성을 갖지 않는 기능성 연골세포로 분화 유도하기 위한 최적의 방법을 개발하는 것이 중요하다. 관절 연골의 발달 과정 초기에 Sox9이 발현되어 연골과 연골세포를 구성하는 표지인자들의 발현을 증가시키는 중요한 역할을 한다. 이전의 연구에서 Sox9의 발현을 제거한 마우스 모델을 사용하여 연골형성이 발생하지 않음을 증명하였다. 또한 Sox9의 과발현을 통해 줄기세포에서 연골세포로의 분화를 유도하였다. 따라서 본 연구에서는 퇴행성 관절염의 치료를 위해 Sox9의 발현을 조절 할 수 있는 저분자 화합물을 이용한 줄기세포로부터 기능성 연골세포로의 분화 유도에 초점을 맞추었다. 먼저, 연골세포와 줄기 세포에서의 기본적으로 발현되는 Sox9의 양적 비교를 통해 Sox9의 발현 증가와 연골세포로의 분화 유도의 연관성을 확인하였다. Sox9 프로모터가 붙은 GFP 벡터를 이용하여 Sox9의 발현을 증가시키는 약물들을 1차 선별하였고, 선별된 약물을 처리하였을 때 연골세포로의 분화유도 여부와 비대화 연골세포의 특성을 나타내지 않는 Ellipticine이라고 알려진 138번이 최종 선별되었다. Ellipticine 처리된 줄기세포는 성숙된 연골세포에서 발현되는 II 형 콜라겐과 Aggrecan의 발현이 증가되어있었으며, 비대화 연골세포에서 발현되는 RUNX2와 X형 콜라겐, 세포 외 기질은 분해하는 효소인 MMP13 및 ADAMTS4와 ADAMTS5의 발현이 감소되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Ellipticine은 p53의 발현을 증가시키고 핵으로의 전좌를 증가시킴으로써 p53의 활성을 조절하여 Sox9의 발현을 증가시킨 다는 것을 확인하였다. Collagenase에 의해 유도된 퇴행성 관절염 동물 모델에서, 줄기세포로부터 분화 유도된 연골세포를 처리한 그룹이 처리되지 않은 줄기세포를 주입한 그룹보다 효과적으로 손상된 연골을 회복시키는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구 결과는 새로운 연골세포로의 분화 가능한 새로운 저분자 화합물의 확인을 통해 퇴행성 관절염 치료에 사용 가능한 줄기세포로부터 분화된 기능성 연골세포의 치료제로써의 가능성을 제시하였다.