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KR20240120263A - Producing method of esophageal organoid and uses thereof - Google Patents

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KR20240120263A
KR20240120263A KR1020230012762A KR20230012762A KR20240120263A KR 20240120263 A KR20240120263 A KR 20240120263A KR 1020230012762 A KR1020230012762 A KR 1020230012762A KR 20230012762 A KR20230012762 A KR 20230012762A KR 20240120263 A KR20240120263 A KR 20240120263A
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esophageal
organoids
medium
cells
organoid
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KR1020230012762A
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정영태
오병무
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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

본 발명은 식도 오가노이드의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것으로, 식도의 중층편평상피(stratified squamous epithelium)을 재현하는 식도 오가노이드 제조용 배지 및 제조 방법을 제공하며, 이를 활용하여 식도 오가노이드의 장기 계대배양을 가능케 하며, 약물 처리 플랫폼으로 활용한다.The present invention relates to a method for producing esophageal organoids and their use. It provides a medium and a production method for producing esophageal organoids that reproduce the stratified squamous epithelium of the esophagus, and utilizes the medium for long-term passage of esophageal organoids. It enables cultivation and is used as a drug processing platform.

Description

식도 오가노이드의 제조방법 및 이의 용도{PRODUCING METHOD OF ESOPHAGEAL ORGANOID AND USES THEREOF}Method for producing esophageal organoids and uses thereof {PRODUCING METHOD OF ESOPHAGEAL ORGANOID AND USES THEREOF}

본 발명은 식도 오가노이드의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to methods for producing esophageal organoids and their uses.

식도는 인두부터 위까지 이르는 동물의 장기로, 인두로 들어온 음식물을 연동운동을 통해 위로 전달한다. 특히 식도의 벽은 내강(lumen)을 둘러싸고 있으며 점막(mucosa), 점막하층(submucosa), 근섬유로 이루어진 두 근육층(muscularis propria), 결합조직으로 이루어진 외막(adventitia)으로 구성되어 있다. 점막은 여러 겹의 편평상피세포로 이루어진 중층편평상피(stratified squamous epithelium) 구조로 기저세포(basal cell)가 바닥에 위치하며 그 위로는 납작한 얇은 세포들이 여러 겹 적층된 분화된 세포들로 구성되어 있다.The esophagus is an animal organ that extends from the pharynx to the stomach, and passes food that enters the pharynx to the stomach through peristalsis. In particular, the wall of the esophagus surrounds the lumen and is composed of a mucosa, a submucosa, two muscular layers made of muscle fibers (muscularis propria), and an adventitia made of connective tissue. The mucous membrane is a stratified squamous epithelium structure composed of several layers of squamous epithelial cells. The basal cells are located at the bottom, and the top is composed of differentiated cells made up of several layers of flat thin cells. .

한편, 식도는 식도염, 식도이완불능증, 식도암(esophageal cancer) 등으로 인한 손상 및 질병 등이 발생하여, 재생의학적인 치료법의 개발 시 많은 도움을 얻을 수 있으며 여러 약물치료 시 효과 검증 및 부작용 스크리닝을 필요로 한다.Meanwhile, the esophagus is prone to damage and disease due to esophagitis, achalasia, esophageal cancer, etc., so it can be of great help in the development of regenerative medicine treatments, and it is necessary to verify the effectiveness and screen for side effects when treating various drugs. Do this.

오가노이드는 줄기세포로부터 자가 재생 및 분화를 통해 형성된 3차원 미니 구조물(수백 마이크로미터 내지 수 밀리미터)로 모(母) 기관의 조직학적 특성 및 생리학적 기능을 재현하여 미니 장기로도 불리우고 있다. 따라서, 식도의 조직학적 구조인 중층편평상피를 재현하는 식도 오가노이드의 개발은 식도의 질병 기전 연구 및 질병 모델링, 약물의 유효성 및 독성 평가에 큰 기여를 할 것이다.Organoids are three-dimensional mini structures (hundreds of micrometers to several millimeters) formed through self-renewal and differentiation from stem cells. They are also called mini organs because they reproduce the histological characteristics and physiological functions of the mother organ. Therefore, the development of esophageal organoids that reproduce the stratified squamous epithelium, the histological structure of the esophagus, will greatly contribute to the study of esophageal disease mechanisms, disease modeling, and evaluation of drug effectiveness and toxicity.

미국공개특허 US 2021-0189349 A1 (2021.06.24 공개)US published patent US 2021-0189349 A1 (published on June 24, 2021)

본 발명의 목적은 식도 오가노이드 (esophageal organoid) 배양용 배지 조성물을 제공하는 데에 있다.The purpose of the present invention is to provide a medium composition for culturing esophageal organoids.

본 발명의 또 다른 목적은 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 있다.Another object of the present invention is to provide an esophageal organoid with a stratified squamous epithelium structure and a method for producing the same.

본 발명의 또 다른 목적은 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드의 장기 계대배양 방법을 제공하는 데에 있다.Another object of the present invention is to provide a method for long-term subculture of esophageal organoids with a stratified squamous epithelial structure.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 식도 오가노이드를 이용한 항암 약물 독성 스크리닝 방법을 제공하는 데에 있다.Another object of the present invention is to provide a method for screening anticancer drug toxicity using the esophageal organoids.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 표피성장인자 (epidermal growth factor; EGF), R-스폰딘1 (R-spondin1) 및 노긴 (noggin)이 함유된 줄기세포 배양용 기본 배지 (basal media)를 유효성분으로 포함하는 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드 (esophageal organoid) 배양용 배지 조성물을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a basic medium for stem cell culture containing epidermal growth factor (EGF), R-spondin1, and noggin. Provided is a medium composition for culturing esophageal organoids having a stratified squamous epithelium structure containing the active ingredient.

또한, 본 발명은 a) 분리된 식도 상피조직으로부터 기저세포를 추출하는 단계; b) 상기 a) 단계에서 추출된 기저세포에 상기 배지 조성물을 첨가하여 현탁시킨 후 마트리겔 (matrigel)을 혼합하는 단계; 및 c) 상기 혼합된 혼합물을 배양하고 마트리겔이 굳으면, 상기 배지 조성물을 공급하는 단계;를 포함하는 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention includes the steps of a) extracting basal cells from isolated esophageal epithelial tissue; b) adding the medium composition to the basal cells extracted in step a) to suspend them and mixing them with matrigel; and c) culturing the mixed mixture and supplying the medium composition when the Matrigel hardens.

또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된, 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드를 제공한다.Additionally, the present invention provides an esophageal organoid having a stratified squamous epithelial structure prepared according to the above method.

또한, 본 발명은 상기 제조된 식도 오가노이드를 10 내지 20일마다 단일세포로 해체하여 배양하는 단계를 포함하는, 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드의 장기 계대배양 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a long-term subculture method of esophageal organoids with a stratified squamous epithelial structure, comprising the step of disassembling the prepared esophageal organoids into single cells and culturing them every 10 to 20 days.

또한, 본 발명은 상기 식도 오가노이드를 단일세포로 해체하여 식도 상피세포를 분리하는 단계; 상기 식도 상피세포를 상기 배지 조성물에서 배양하는 단계; 및 상기 배양된 배양물에 후보약물을 처리한 후, 식도 오가노이드 형성 여부를 분석하는 단계를 포함하는 항암 약물 독성 스크리닝 방법을 제공한다.In addition, the present invention includes the steps of disassembling the esophageal organoid into single cells and isolating esophageal epithelial cells; Culturing the esophageal epithelial cells in the medium composition; and treating the cultured culture with a candidate drug and then analyzing whether esophageal organoids are formed.

본 발명은 식도 오가노이드(esophageal organoid)의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것으로, 제조된 식도 오가노이드는 식도 줄기세포를 포함하는 식도 상피세포를 3차원 배양함으로써 식도와 조직학적으로 매우 유사한 중층편평상피 구조로 되어 있는 바, 질병 모델링 및 약물 스크리닝에 세포 및 동물실험을 대체할 수 있는 모델로 사용할 수 있다. 또한, 상기 식도 오가노이드는 안정적인 장기 계대배양이 가능하여 적은 양의 조직으로부터 다량의 세포를 얻을 수 있다.The present invention relates to a method for producing esophageal organoids and their uses. The produced esophageal organoids are stratified squamous epithelium histologically very similar to the esophagus by three-dimensionally culturing esophageal epithelial cells containing esophageal stem cells. Due to its structure, it can be used as a model that can replace cell and animal experiments for disease modeling and drug screening. In addition, the esophageal organoids allow stable long-term subculture, allowing a large amount of cells to be obtained from a small amount of tissue.

도 1은 식도 오가노이드 제조방법 시스템 개요를 나타낸다.
도 2는 식도 오가노이드 배양배지에서 식도 오가노이드를 배양한 결과(A)와 계대배양한 결과(B 및 C)를 나타낸다.
도 3은 식도 오가노이드의 중층편평상피 구조를 H&E 염색을 통해 조직학적으로 확인한 결과를 나타낸다.
도 4는 식도 오가노이드의 상피세포마커 발현 양상을 확인한 결과를 나타낸다.
도 5는 식도 오가노이드를 약물 스크리닝에 활용할 수 있는 용도를 확인한 결과를 나타낸다.
Figure 1 shows an overview of the esophageal organoid production method system.
Figure 2 shows the results of culturing esophageal organoids in esophageal organoid culture medium (A) and the results of subculture (B and C).
Figure 3 shows the results of histological confirmation of the stratified squamous epithelial structure of esophageal organoids through H&E staining.
Figure 4 shows the results of confirming the expression pattern of epithelial cell markers in esophageal organoids.
Figure 5 shows the results of confirming the use of esophageal organoids for drug screening.

본 발명자들은 식도염, 식도이완불능증, 식도암(esophageal cancer) 등으로 인한 손상 및 질병 등이 발생하여, 재생의학적인 치료법의 개발을 위하여, 식도처럼 식도 상피세포로부터 유래하며 중층편평상피와 비슷한 구조를 나타내는 본 발명을 완성하였다.The present inventors sought to develop regenerative medicine treatments for damage and disease caused by esophagitis, achalasia, esophageal cancer, etc., which are derived from esophageal epithelial cells like the esophagus and have a structure similar to stratified squamous epithelium. The present invention has been completed.

본 발명은 표피성장인자 (epidermal growth factor; EGF), R-스폰딘1 (R-spondin1) 및 노긴 (noggin)이 함유된 줄기세포 배양용 기본 배지 (basal media)를 유효성분으로 포함하는 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드 (esophageal organoid) 배양용 배지 조성물을 제공한다. The present invention is a stratified squamous cell comprising basal media for stem cell culture containing epidermal growth factor (EGF), R-spondin1, and noggin as active ingredients. Provided is a medium composition for culturing esophageal organoids with an epithelial structure.

바람직하게는, 상기 조성물은 Wnt-3a, B27, N2, N-아세틸시스테인 (N-acetylcysteine), 글루타맥스 (glutamax), Y-27632, HGF, FGF, VEGF, 항생-항진균제 및 뉴레글린 (Neureglin)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Preferably, the composition includes Wnt-3a, B27, N2, N-acetylcysteine, glutamax, Y-27632, HGF, FGF, VEGF, antibiotic-antifungal agent and Neureglin. ) may further include any one or more selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

바람직하게는, 상기 줄기세포 배양용 기본 배지 (basal media)는 DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium), MEM (Minimal essential Medium), BME (Basal Medium Eagle), RPMI1640, F-10, F-12, α-MEM (α-Minimal essential Medium), GMEM (Glasgow's Minimal essential Medium), IMDM (Iscove's Modified Dulbecco's Medium), DMEM/F12 및 Advanced DMEM/F12로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Preferably, the basal media for stem cell culture is DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium), MEM (Minimal essential Medium), BME (Basal Medium Eagle), RPMI1640, F-10, F-12, α- It may be any one selected from the group consisting of MEM (α-Minimal essential Medium), GMEM (Glasgow's Minimal essential Medium), IMDM (Iscove's Modified Dulbecco's Medium), DMEM/F12, and Advanced DMEM/F12, but is not limited thereto.

바람직하게는, 상기 항생-항진균제는 페니실린 (penicillin), 스트렙토마이신 (streptomycin), 겐타마이신 (gentamicin), 니스타틴 (nystatin) 및 암포테리신 (amphotericin)으로 이루어진 군에서 선택된 2 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Preferably, the antibiotic-antifungal agent may be two or more selected from the group consisting of penicillin, streptomycin, gentamicin, nystatin, and amphotericin, but is limited thereto. It doesn't work.

바람직하게는, 상기 식도 오가노이드는 지속적인 계대 배양이 가능할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Preferably, the esophageal organoid may be capable of continuous subculture, but is not limited thereto.

본 명세서 내에서 “오가노이드 (organoid)”란 사람과 동물 등에서 획득한 줄기세포를 포함하는 식도 상피세포로부터 유래하는 3D 입체구조를 가지는 세포 집합체를 의미하며, 인공적인 배양과정을 통해 제조한 원발 장기와 유사한 모델을 의미한다. 이를 구성하는 세포의 유래는 제한되지 않는다.As used herein, “organoid” refers to a cell aggregate with a 3D three-dimensional structure derived from esophageal epithelial cells containing stem cells obtained from humans, animals, etc., and is a primary organ manufactured through an artificial culture process. It refers to a model similar to . The origin of the cells constituting it is not limited.

본 명세서 내에서 “식도”란 식도 상피를 포함하는 식도 점막, 점막하층, 근섬유로 이루어진 두 근육층, 결합조직으로 이루어진 외막으로 이루어진 기관을 의미한다.As used herein, “esophagus” refers to an organ composed of the esophageal mucosa including the esophageal epithelium, the submucosa, two muscle layers made of muscle fibers, and an outer membrane made of connective tissue.

본 명세서 내에서 “식도 오가노이드”란 중층편평상피 구조를 띤 식도처럼 식도 상피세포로부터 유래하며, 중층편평상피와 비슷한 구조를 나타내는 식도 오가노이드를 포함한다.As used herein, “esophageal organoid” refers to esophageal organoids that are derived from esophageal epithelial cells, such as the esophagus with a stratified squamous epithelium structure, and include esophageal organoids that exhibit a structure similar to stratified squamous epithelium.

본 명세서 내에서 “배지”란 인 비트로 (in vitro) 에서 세포가 오가노이드로 성장, 생존, 분화하는데 필요한 구성성분들을 포함하고 있으며, 이를 가능하게 하는 배양액을 의미하며, 오가노이드 분야에서 사용되는 배양 및 분화에 적절한 통상의 배지를 모두 포함한다. 세포의 종류에 따라 또는 해당분야의 기술적 수준에 따라 배지의 종류와 배양 조건에 변화를 줄 수 있다. 식도 오가노이드 배양에 사용되는 배지는 일반적으로 탄소원, 질소원 및 미량원소 송분을 포함하는 배양 최소 배지일 수 있다.As used herein, “medium” refers to a culture medium that contains the necessary components for cells to grow, survive, and differentiate into organoids in vitro, and that enables this, and is used in the organoid field. and all conventional media suitable for differentiation. Depending on the type of cell or the technical level of the field, the type of medium and culture conditions can be changed. The medium used for esophageal organoid culture may generally be a minimal culture medium containing a carbon source, a nitrogen source, and trace elements.

본 명세서 내에서 “계대”는 오가노이드를 건강한 상태로 장기간 지속적으로 배양하기 위해 단일세포 또는 오가노이드로 분리한 후, 다시 새로운 배양 용기로 옮기거나 하여 오가노이드 배양을 이어가는 것을 의미한다. 한차례 세포군을 나누거나 배양용기를 교체하는 것을 1계대라고 한다.As used herein, “passage” means separating organoids into single cells or organoids in order to continuously culture them in a healthy state for a long period of time and then transferring them to a new culture vessel to continue culturing the organoids. Dividing a cell group or changing a culture vessel once is called the first passage.

또한, 본 발명은 a) 분리된 식도 상피조직으로부터 기저세포를 추출하는 단계; b) 상기 a) 단계에서 추출된 기저세포에 상기 배지 조성물을 첨가하여 현탁시킨 후 마트리겔 (matrigel)을 혼합하는 단계; 및 c) 상기 혼합된 혼합물을 배양하고 마트리겔이 굳으면, 상기 배지 조성물을 공급하는 단계;를 포함하는 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention includes the steps of a) extracting basal cells from isolated esophageal epithelial tissue; b) adding the medium composition to the basal cells extracted in step a) to suspend them and mixing them with matrigel; and c) culturing the mixed mixture and supplying the medium composition when the Matrigel hardens.

바람직하게는, 상기 식도 오가노이드는 평균 입경이 50 내지 500 μm 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Preferably, the esophageal organoids may have an average particle diameter of 50 to 500 μm, but are not limited thereto.

바람직하게는, 상기 식도 오가노이드는 시토케라틴 14 (cytokeratin 14), 시토케라틴 5 (cytokeratin 5), 시토케라틴 1 (cytokeratin 1) 및 로리크린 (loricrin)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 기저세포 마커 또는 분화된 세포 마커를 발현할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Preferably, the esophageal organoid contains one or more basal cell markers selected from the group consisting of cytokeratin 14, cytokeratin 5, cytokeratin 1, and loricrin, or Differentiated cell markers may be expressed, but are not limited thereto.

본 명세서 내에서 “분화”는 세포가 분열하여 증식하며 성장하는 동안에 세포의 구조나 기능이 조직 특이적으로 구체화되는 현상을 의미한다. 즉, 생물의 세포, 조직 등이 특정 기관에 필요한 역할을 수행하기 위해 적합한 형태 및 기능을 갖추는 과정을 의미하며, 예를 들어 식도 줄기세포가 식도 상피세포로 변하는 과정뿐만 아니라, 조혈모세포가 적혈구, 백혈구, 혈소판 등으로 변화는 과정, 즉 전구세포가 특정 분화형질을 발현하게 되는 모든 것이 분화에 포함될 수 있다.“Differentiation” within this specification refers to a phenomenon in which the structure or function of a cell is specified in a tissue-specific manner while the cell divides, proliferates, and grows. In other words, it refers to the process by which biological cells, tissues, etc. acquire the appropriate form and function to perform the role required for a specific organ. For example, not only the process by which esophageal stem cells transform into esophageal epithelial cells, but also the process by which hematopoietic stem cells become red blood cells, The process of changing into white blood cells, platelets, etc., that is, everything that causes progenitor cells to express specific differentiation traits can be included in differentiation.

또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된, 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드를 제공한다.Additionally, the present invention provides an esophageal organoid having a stratified squamous epithelial structure prepared according to the above method.

또한, 본 발명은 상기 식도 오가노이드를 10 내지 20일마다 단일세포로 해체하여 배양하는 단계를 포함하는, 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드의 장기 계대배양 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for long-term subculture of esophageal organoids with a stratified squamous epithelial structure, comprising the step of disassembling the esophageal organoids into single cells and culturing them every 10 to 20 days.

또한, 본 발명은 상기 식도 오가노이드를 단일세포로 해체하여 식도 상피세포를 분리하는 단계; 상기 식도 상피세포를 상기 배지 조성물에서 배양하는 단계; 및 상기 배양된 배양물에 후보약물을 처리한 후, 식도 오가노이드 형성 여부를 분석하는 단계를 포함하는 항암 약물 독성 스크리닝 방법을 제공한다.In addition, the present invention includes the steps of disassembling the esophageal organoid into single cells and isolating esophageal epithelial cells; Culturing the esophageal epithelial cells in the medium composition; and treating the cultured culture with a candidate drug and then analyzing whether esophageal organoids are formed.

바람직하게는, 상기 항암 약물은 시스플라틴 (cisplatin), 파클리탁셀(paclitaxel), 5-플루오로우라실 (5-FU) 및 이리노테칸 (Irinotecan)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Preferably, the anticancer drug may be one or more selected from the group consisting of cisplatin, paclitaxel, 5-fluorouracil (5-FU), and irinotecan, but is not limited thereto.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예 등을 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예 등은 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예 등에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예 등은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, to aid understanding of the present invention, it will be described in detail through examples. However, the following examples are merely illustrative of the content of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples. Examples of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those with average knowledge in the art.

<< 실시예Example 1> 식도 1> Esophagus 오가노이드의of organoids 형성 배지 제조 Formation medium preparation

식도 오가노이드 배양배지는 다음과 같은 조성물을 포함한다. DMEM/F12 또는 Advanced DMEM/F12에 1X 페니실린/스트렙토마이신(penicillin-streptomycin), 1X N2, 1X B27, 1X 글루타맥스(glutamax), 1 μM N-아세틸시스테인(N-acetylcysteine), 1 μM Y-27632, 50 ng/ml EGF, 100 μg/ml R-스폰딘1(R-spondin1) 및 100 μg/ml 노긴(noggin), 20 ng/ml HGF, 20 ng/ml FGF, 50 ng/ml Wnt3a 및 20 ng/ml 뉴레글린(Neureglin)의 혼합했으며, 이들 구성성분의 농도는 제시된 농도의 1/10 내지 10 배 사이 정도에서 조절할 수 있으며, 그 외의 성분들을 추가할 수 있다.The esophageal organoid culture medium includes the following composition. DMEM/F12 or Advanced DMEM/F12 with 1X penicillin-streptomycin, 1X N2, 1X B27, 1X glutamax, 1 μM N-acetylcysteine, 1 μM Y- 27632, 50 ng/ml EGF, 100 μg/ml R-spondin1 and 100 μg/ml noggin, 20 ng/ml HGF, 20 ng/ml FGF, 50 ng/ml Wnt3a and 20 ng/ml Neureglin was mixed, and the concentration of these components can be adjusted between 1/10 and 10 times the suggested concentration, and other components can be added.

<< 실시예Example 2> 인간 및 동물의 3차원 식도 2> 3D esophagus of humans and animals 오가노이드organoid 제조 manufacturing

1. 인간 및 동물 식도 조직으로부터 식도 1. Esophagus from human and animal esophageal tissue 기저세포basal cell 분리 separation

환자의 식도 검체 또는 동물의 식도를 인산염완충생리식염수(phosphate buffered saline, PBS)로 깨끗이 씻어준 후 빈 관의 한쪽 벽을 길게 잘라 평평하게 편다. 평평하게 열린 관을 DMEM (Dulbecco’s modified eagle medium; Gibco, #12430112)에 디스파아제(dispase; Stem cell, #07913)를 넣은 후 37 ℃, 5 % 이산화탄소가 공급되는 세포배양기에서 1 내지 2시간 동안 효소적으로 해리시켰다. After thoroughly washing a patient's esophagus specimen or an animal's esophagus with phosphate buffered saline (PBS), cut one wall of the empty tube lengthwise and flatten it. Dispase (Stem cell, #07913) was added to DMEM (Dulbecco's modified eagle medium; Gibco, #12430112) in a flat open tube, and incubated at 37°C in a cell incubator supplied with 5% carbon dioxide for 1 to 2 hours. Enzymatically dissociated.

효소적으로 해리된 인간 및 동물 식도 조직으로부터 상피세포를 분리하기 위해 실체현미경으로 관찰하며 포셉을 이용해 식도 상피조직만 벗겨냈다. 깨끗하게 벗겨낸 상피 조직을 0.25 % 트립신-EDTA(0.25 % Trypsin-EDTA; Gibco, # 25200-072)용액에 넣고 37 ℃, 5 % 이산화탄소가 공급되는 세포 배양기에서 5분 동안 효소적으로 해리시켰다.To isolate epithelial cells from enzymatically dissociated human and animal esophageal tissue, only the esophageal epithelial tissue was removed using forceps while observing under a stereomicroscope. The cleanly peeled epithelial tissue was placed in 0.25% Trypsin-EDTA (Gibco, #25200-072) solution and enzymatically dissociated for 5 minutes in a cell incubator supplied with 5% carbon dioxide at 37°C.

효소적으로 해리된 인간 및 동물 식도 상피조직을 파이펫팅으로 잘 풀어 식도 기저세포를 추출한 후, 2 % 소태아혈청(fetal bovine serum, FBS)이 포함된 PBS를 첨가하여 0.25 % 트립신/0.05 % EDTA를 중화시켰다. 이후, 상피조직으로부터 떨어져 나온 기저세포를 40 μm cell strainer (SPL, #93040)를 통과시킨 후 5분간 원심분리하고 상층액을 제거하였다. 원심분리된 식도 기저세포를 Advanced DMEM/F12 배지를 사용하여 현탁시키고, 세포수를 측정하였다.Enzymatically dissociated human and animal esophageal epithelial tissue was loosened well by pipetting to extract esophageal basal cells, and then PBS containing 2% fetal bovine serum (FBS) was added and 0.25% trypsin/0.05% EDTA. was neutralized. Afterwards, the basal cells separated from the epithelial tissue were passed through a 40 μm cell strainer (SPL, #93040), centrifuged for 5 minutes, and the supernatant was removed. The centrifuged esophageal basal cells were suspended using Advanced DMEM/F12 medium, and the cell number was measured.

2. 식도의 3차원 2. 3D view of the esophagus 오가노이드organoid 제작 produce

상기에서 추출한 식도 기저세포를 7 내지 14일 동안 3차원 배양하여 식도 오가노이드를 제작하였다. 구체적으로, 1,000 내지 10,000개의 식도 기저세포를 50 μl의 식도 오가노이드 배양배지로 현탁한 후 마트리겔(matrigel, Coring, #356231)과 1:1의 비율로 섞어 i) 돔 모양으로 24 웰 플레이트에 분주한 후 37 ℃, 5 % 이산화탄소가 공급되는 세포 배양기에서 30 내지 60분간 배양하여 마트리겔이 굳으면 식도 오가노이드 배양 미디어를 첨가; 또는 ii) 24 웰 세포배양 트랜스웰(Corning, #3470) 위에 분주한 후 37 ℃, 5 % 이산화탄소가 공급되는 세포 배양기에서 30 내지 60분간 배양하여 마트리겔이 굳으면 세포배양 트랜스웰 하단 부분에 식도 오가노이드 배양배지를 공급하였다. Esophageal organoids were produced by three-dimensionally culturing the esophageal basal cells extracted above for 7 to 14 days. Specifically, 1,000 to 10,000 esophageal basal cells were suspended in 50 μl of esophageal organoid culture medium, mixed with Matrigel (Coring, #356231) at a 1:1 ratio, and i) placed in a 24-well plate in a dome shape. After dispensing, culture for 30 to 60 minutes in a cell incubator supplied with 5% carbon dioxide at 37°C, and when Matrigel hardens, add esophageal organoid culture media; or ii) After dispensing onto a 24-well cell culture transwell (Corning, #3470), culture it for 30 to 60 minutes at 37°C in a cell incubator supplied with 5% carbon dioxide. When the Matrigel hardens, an esophagus is placed at the bottom of the cell culture transwell. Organoid culture medium was supplied.

그 결과, 도 2A, 2B에서 나타난 바와 같이, 식도 오가노이드 배양배지에서 쥐의 식도 오가노이드가 50 내지 200 μm 크기로 성장하였다.As a result, as shown in Figures 2A and 2B, rat esophageal organoids grew to a size of 50 to 200 μm in the esophageal organoid culture medium.

3. 식도 3. Esophagus 오가노이드의of organoids 장기 long time 계대배양subculture

상기에서 제작한 식도 오가노이드를 장기간에 걸쳐 여러 차례 계대배양하며 성장할 수 있다. 식도 오가노이드 배양배지에서 생장한 식도 오가노이드는 14일 마다 단일세포로 해체하여 장기간의 계대배양을 실시하였다. 구체적으로는 DMEM (Dulbecco’s modified eagle medium; Gibco, #12430112)에 디스파아제(dispase, Stem cell, #07913)를 넣은 후 37 ℃, 5 % 이산화탄소가 공급되는 세포배양기에서 1 내지 2시간 동안 마트리겔 내에 생성된 오가노이드를 효소적으로 해리시켰다. 이후 트립신 처리부터는 상기의 과정을 반복하여 다음 세대의 오가노이드를 형성시켰다. 장기 계대배양 결과는 도 2C, 2D에 나타난 것과 같다.The esophageal organoids produced above can be grown by subculturing several times over a long period of time. Esophageal organoids grown in esophageal organoid culture medium were disassembled into single cells every 14 days and subjected to long-term subculture. Specifically, dispase (Stem cell, #07913) was added to DMEM (Dulbecco's modified eagle medium; Gibco, #12430112) and incubated with Matrigel for 1 to 2 hours in a cell incubator supplied with 5% carbon dioxide at 37°C. The organoids generated within were enzymatically dissociated. After trypsin treatment, the above process was repeated to form the next generation of organoids. The results of long-term subculture are as shown in Figures 2C and 2D.

<< 실험예Experiment example 1> 식도1> Esophagus 오가노이드의of organoids 구조적, 조직학적 생체 모방성 확인 Confirmation of structural and histological biomimeticity

식도는 점막고유판(lamina propria) 윗부분에 하나 이상의 상피세포층으로 이루어진 중층편평상피 구조를 형성하고 있다. 기저막(basal layer)에는 줄기세포의 특징이 강하고 활발하게 분열하는 기저세포(basal cell)가 존재하며, 기저세포로부터 분열, 생성된 세포들은 상층부로 이동하며 분화한다. 표면 근처로 갈수록 점점 더 분화되어 납작하며 각질이 풍부한 세포들이 존재하는 구조적 특징을 보인다. The esophagus has a stratified squamous epithelial structure composed of one or more epithelial cell layers on the upper part of the lamina propria. In the basal layer, there are actively dividing basal cells with strong stem cell characteristics, and cells divided and created from the basal cells move to the upper layer and differentiate. As it approaches the surface, it shows structural characteristics of increasingly differentiated, flat, keratin-rich cells.

상기 실시예 2에서 제작된 식도 오가노이드가 실제 식도의 조직학적 구조를 재현하는지 확인하기 위하여, H&E 염색 및 면역형광염색을 실시하였다.In order to confirm whether the esophageal organoid produced in Example 2 reproduced the histological structure of the actual esophagus, H&E staining and immunofluorescence staining were performed.

1. H&E 염색1. H&E staining

식도 오가노이드를 4 % 파라포름알데히드(fromaldehyde solution, Sigma, #47608)에 고정시킨 후 식도 오가노이드를 cryo 몰드(15ⅹ15ⅹ5 mm, Tissue-tek, #4566)에서 O.C.T. 컴파운드(O.C.T. compound, Scigen, #4583)와 혼합하고 드라이아이스를 이용하여 고형화시켰다. 이후, 고형화된 식도 오가노이드는 냉동조직절편기(Leica, #CM3050S)를 이용해 10 μm 두께로 절단하여 슬라이드를 준비하고 -20 ℃에서 보관하였다. 준비된 슬라이드는 상온에서 5분간 방치한 후 PBS로 살짝 씻어준 후 헤마톡실린과 에오신 염색 키트(Hematoxylin and eosin stain kit, Vector laboratories, #H-3502)를 이용하여 H&E 염색을 수행하였다. 구체적으로, 헤마톡실린으로 상온에서 5분간 염색하고, 증류수로 15초동안 2번 씻어내고, 블루잉 용액(bluing reagent)으로 상온에서 10 내지 15초간 염색하고, 증류수에서 15초동안 2번 씻어내고, 100 % 에탄올에 10초간 담근 후 에오신(eosin)으로 상온에서 2 내지 3분 동안 염색하고, 100 % 에탄올로 10초간 씻어내고, 100 % 에탄올로 1 내지 2분간 3회 탈수시켰다. 그 후, 덮개를 씌우고 상온에 보관하여 현미경으로 관찰했다.After fixing the esophageal organoids in 4% paraformaldehyde solution (fromaldehyde solution, Sigma, #47608), the esophageal organoids were O.C.T. in a cryo mold (15ⅹ15ⅹ5 mm, Tissue-tek, #4566). It was mixed with compound (O.C.T. compound, Scigen, #4583) and solidified using dry ice. Afterwards, the solidified esophageal organoids were cut to a thickness of 10 μm using a frozen tissue slicer (Leica, #CM3050S) to prepare slides and stored at -20°C. The prepared slides were left at room temperature for 5 minutes, washed lightly with PBS, and then H&E stained using a hematoxylin and eosin stain kit (Vector laboratories, #H-3502). Specifically, staining with hematoxylin for 5 minutes at room temperature, washing twice with distilled water for 15 seconds, staining with bluing reagent for 10 to 15 seconds at room temperature, and washing twice with distilled water for 15 seconds. , immersed in 100% ethanol for 10 seconds, stained with eosin at room temperature for 2 to 3 minutes, washed with 100% ethanol for 10 seconds, and dehydrated in 100% ethanol three times for 1 to 2 minutes. Afterwards, it was covered, stored at room temperature, and observed under a microscope.

그 결과, 도 3에 따를 때, 식도의 중층편평상피의 나이테가 감싼 듯한 구조가 H&E 염색된 식도 오가노이드에서 항상 관찰되었다.As a result, as shown in Figure 3, a structure that seemed to be surrounded by growth rings of the stratified squamous epithelium of the esophagus was always observed in H&E-stained esophageal organoids.

2. 2. 면역형광염색Immunofluorescent staining

식도 오가노이드를 4 % 파라포름알데히드(fromaldehyde solution, Sigma, #47608)에 고정시킨 후 식도 오가노이드를 cryo 몰드(15 ⅹ 15 ⅹ 5 mm, Tissue-tek, #4566)에서 O.C.T. 컴파운드(O.C.T. compound, Scigen, #4583)와 혼합하고 드라이아이스를 이용하여 고형화시켰다. 이후, 고형화된 식도 오가노이드는 냉동조직절편기(Leica, #CM3050S)를 이용해 10 μm 두께로 절단하여 슬라이드를 준비하고 -20 ℃에서 보관하였다. 준비된 슬라이드는 상온에서 5분간 방치한 후 PBS로 살짝 씻어준 후 0.1 % 트리톤 x-100(Triton X-100, 바이오세상, TR1020-500-00), 3 % 소혈청알부민(bovine serum albumin, MP biomedicals, #9048-46-8)이 포함된 PBS로 1시간동안 상온에서 차단하였다. 이후 슬라이드를 항체 희석용액(REAL antibody diluent solution, Agilent, #S2022)에 희석된 1차 항체와 함께 4 ℃에서 밤새 인큐베이션 하였다. 슬라이드를 0.1 % 트리톤 x-100/1 % 소혈청알부민이 포함된 PBS를 사용하여 3회 세척한 후, 상온에서 1시간동안 1 % 소태아혈청이 포함된 PBS에 희석된 2차 항체와 함께 인큐베이션 하였다. 그 후 PBS를 사용하여 3회 세척한 후 슬라이드를 PBS에 희석된 DAPI(Sigma, #10236276001) 용액으로 상온에서 10분간 인큐베이션 하였다. PBS를 사용하여 슬라이드를 3회 세척한 후 형광현미경으로 관찰하였다.After fixing the esophageal organoids in 4% paraformaldehyde solution (fromaldehyde solution, Sigma, #47608), the esophageal organoids were O.C.T. in a cryo mold (15 × 15 × 5 mm, Tissue-tek, #4566). It was mixed with compound (O.C.T. compound, Scigen, #4583) and solidified using dry ice. Afterwards, the solidified esophageal organoids were cut to a thickness of 10 μm using a frozen tissue slicer (Leica, #CM3050S) to prepare slides and stored at -20°C. The prepared slides were left at room temperature for 5 minutes, washed lightly with PBS, and then washed with 0.1% Triton , #9048-46-8) was blocked at room temperature for 1 hour. Afterwards, the slides were incubated overnight at 4°C with primary antibodies diluted in antibody diluent solution (REAL antibody diluent solution, Agilent, #S2022). Slides were washed three times using PBS containing 0.1% Triton did. After washing three times using PBS, the slide was incubated with DAPI (Sigma, #10236276001) solution diluted in PBS for 10 minutes at room temperature. The slides were washed three times using PBS and observed under a fluorescence microscope.

그 결과, 도 4에 따를 때, 식도 기저층 마커인 케라틴5(keratin 5) 및 분화된 세포들의 상부기저층(suprabasal) 마커인 로리크린(loricrin)이 식도 오가노이드의 서로 다른 위치에 염색이 된 것을 확인했다. 이는 식도 오가노이드 구조가 식도 상피와 유사하게 기저층과 상부기저층의 구조를 보인다는 것을 나타낸다.As a result, according to Figure 4, it was confirmed that keratin 5, a marker of the esophageal basal layer, and loricrin, a marker of the suprabasal layer of differentiated cells, were stained at different locations in the esophageal organoid. did. This indicates that the esophageal organoid structure shows a basal layer and suprabasal layer structure similar to the esophageal epithelium.

<< 실험예Experimental example 2> 식도 2> Esophagus 오가노이드를Organoids 약물 스크리닝 플랫폼으로서의 활용 가능성 확인 Confirmation of usability as a drug screening platform

식도 오가노이드가 약물의 독성 평가 플랫폼으로서 활용될 수 있는 용도를 점검하였다. 단일세포로 분리한 식도 상피세포를 상기 실시예 2에서 기술한 방식대로 오가노이드 형성 배지에 배양을 시작하였다. 이후, 항암 약물인 시스플라틴(Cispatin) 및 파클리탁셀(Paclitaxel)로 각각 1 내지 5 μM, 1 내지 10 nM의 농도로 처치하였다. 약물은 오가노이드 형성 기간 내내 계속 처치하였고, 배지를 2 내지 3일에 한번 갈 때 다시 새롭게 넣어주었다. We examined the use of esophageal organoids as a drug toxicity evaluation platform. Esophageal epithelial cells isolated into single cells were cultured in organoid formation medium as described in Example 2 above. Thereafter, the cells were treated with the anticancer drugs Cispatin and Paclitaxel at concentrations of 1 to 5 μM and 1 to 10 nM, respectively. Drug treatment was continued throughout the organoid formation period, and the medium was renewed once every 2 to 3 days.

그 결과, 도 5에 따를 때, 약물을 처치한 경우, 식도 오가노이드의 형성이 감소하는 것을 관찰함으로써 식도 오가노이드를 약물의 유효성 및 독성 평가 및 스크리닝에 활용할 수 있음을 확인했다.As a result, according to Figure 5, when the drug was treated, the formation of esophageal organoids was observed to decrease, confirming that esophageal organoids can be used for drug effectiveness and toxicity evaluation and screening.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The description of the present invention described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims described below, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (12)

표피성장인자 (epidermal growth factor; EGF), R-스폰딘1 (R-spondin1) 및 노긴 (noggin)이 함유된 줄기세포 배양용 기본 배지 (basal media)를 유효성분으로 포함하는 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드 (esophageal organoid) 배양용 배지 조성물.A stratified squamous epithelial structure containing basal media for stem cell culture containing epidermal growth factor (EGF), R-spondin1, and noggin as active ingredients. A medium composition for culturing esophageal organoids. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 Wnt-3a, B27, N2, N-아세틸시스테인 (N-acetylcysteine), 글루타맥스 (glutamax), Y-27632, HGF, FGF, VEGF, 항생-항진균제 및 뉴레글린 (Neureglin)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배지 조성물.The method of claim 1, wherein the composition includes Wnt-3a, B27, N2, N-acetylcysteine, glutamax, Y-27632, HGF, FGF, VEGF, antibiotic-antifungal agent, and neuregulin. A medium composition characterized in that it further comprises at least one selected from the group consisting of (Neureglin). 제1항에 있어서, 상기 줄기세포 배양용 기본 배지 (basal media)는 DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium), MEM (Minimal essential Medium), BME (Basal Medium Eagle), RPMI1640, F-10, F-12, α-MEM (α-Minimal essential Medium), GMEM (Glasgow's Minimal essential Medium), IMDM (Iscove's Modified Dulbecco's Medium), DMEM/F12 및 Advanced DMEM/F12로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배지 조성물.In claim 1, the basal media for stem cell culture is a medium composition characterized in that any one selected from the group consisting of DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium), MEM (Minimal essential Medium), BME (Basal Medium Eagle), RPMI1640, F-10, F-12, α-MEM (α-Minimal essential Medium), GMEM (Glasgow's Minimal essential Medium), IMDM (Iscove's Modified Dulbecco's Medium), DMEM/F12, and Advanced DMEM/F12. 제2항에 있어서, 상기 항생-항진균제는 페니실린 (penicillin), 스트렙토마이신 (streptomycin), 겐타마이신 (gentamicin), 니스타틴 (nystatin) 및 암포테리신 (amphotericin)으로 이루어진 군에서 선택된 2 이상인 것을 특징으로 하는 배지 조성물. The method of claim 2, wherein the antibiotic-antifungal agent is at least two selected from the group consisting of penicillin, streptomycin, gentamicin, nystatin, and amphotericin. A medium composition that does. 제1항에 있어서, 상기 식도 오가노이드는 지속적인 계대 배양이 가능한 것을 특징으로 하는 배지 조성물. The medium composition according to claim 1, wherein the esophageal organoids are capable of continuous subculture. a) 분리된 식도 상피조직으로부터 기저세포를 추출하는 단계;
b) 상기 a) 단계에서 추출된 기저세포에 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 배지 조성물을 첨가하여 현탁시킨 후 마트리겔 (matrigel)을 혼합하는 단계; 및
c) 상기 혼합된 혼합물을 배양하고 마트리겔이 굳으면, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 배지 조성물을 공급하는 단계; 를 포함하는 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드 제조 방법.
a) extracting basal cells from isolated esophageal epithelial tissue;
b) adding the medium composition according to any one of claims 1 to 5 to the basal cells extracted in step a) to suspend them and then mixing them with matrigel; and
c) culturing the mixed mixture and supplying the medium composition according to any one of claims 1 to 5 when Matrigel hardens; Method for producing esophageal organoids with a stratified squamous epithelium structure comprising a.
제6항에 있어서, 상기 식도 오가노이드는 평균 입경이 50 내지 500 μm 인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 6, wherein the esophageal organoids have an average particle diameter of 50 to 500 μm. 제6항에 있어서, 상기 식도 오가노이드는 시토케라틴 14 (cytokeratin 14), 시토케라틴 5 (cytokeratin 5), 시토케라틴 1 (cytokeratin 1) 및 로리크린 (loricrin)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 기저세포 마커 또는 분화된 세포 마커를 발현하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 6, wherein the esophageal organoid is one or more basal cells selected from the group consisting of cytokeratin 14, cytokeratin 5, cytokeratin 1, and loricrin. A method characterized by expressing a marker or differentiated cell marker. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된, 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드.An esophageal organoid having a stratified squamous epithelial structure prepared according to the method of any one of claims 6 to 8. 제9항에 따른 식도 오가노이드를 10 내지 20일마다 단일세포로 해체하여 배양하는 단계를 포함하는, 중층편평상피 구조를 가진 식도 오가노이드의 장기 계대배양 방법.A long-term subculture method of esophageal organoids with a stratified squamous epithelial structure, comprising the step of disassembling and culturing the esophageal organoids according to claim 9 into single cells every 10 to 20 days. 제9항에 따른 식도 오가노이드를 단일세포로 해체하여 식도 상피세포를 분리하는 단계;
상기 식도 상피세포를 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 배지 조성물에서 배양하는 단계; 및
상기 배양된 배양물에 후보약물을 처리한 후, 식도 오가노이드 형성 여부를 분석하는 단계를 포함하는 항암 약물 독성 스크리닝 방법.
A step of disassembling the esophageal organoid according to claim 9 into single cells and isolating esophageal epithelial cells;
Culturing the esophageal epithelial cells in the medium composition according to any one of claims 1 to 5; and
An anticancer drug toxicity screening method comprising the step of treating the cultured culture with a candidate drug and then analyzing whether esophageal organoids are formed.
제11항에 있어서, 상기 항암 약물은 시스플라틴 (cisplatin), 파클리탁셀(paclitaxel), 5-플루오로우라실 (5-FU) 및 이리노테칸 (Irinotecan)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 스크리닝 방법. The screening method according to claim 11, wherein the anticancer drug is at least one selected from the group consisting of cisplatin, paclitaxel, 5-fluorouracil (5-FU), and irinotecan.
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