우리는 무목적 환자에서 유래한 iPSC로부터 각막 오가노이드를 생성하는 프로토콜을 설명하여, 각막 질환을 연구하기 위한 환자별 모델을 만듭니다. 이 오가노이드는 주요 구조적·기능적 특징을 모방하여 질병 기전 조사, 잠재적 치료법 검증, 전방 안과 질환에 대한 맞춤형 재생 접근법 발전을 위한 신뢰할 수 있는 시험관 내 플랫폼을 제공합니다.
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우리는 무목적 환자에서 유래한 iPSC로부터 각막 오가노이드를 생성하는 프로토콜을 설명하여, 각막 질환을 연구하기 위한 환자별 모델을 만듭니다. 이 오가노이드는 주요 구조적·기능적 특징을 모방하여 질병 기전 조사, 잠재적 치료법 검증, 전방 안과 질환에 대한 맞춤형 재생 접근법 발전을 위한 신뢰할 수 있는 시험관 내 플랫폼을 제공합니다.
아니리디아는 홍채가 부분적이거나 완전히 사라지는 드문 선천성 안구 질환으로, 각막 불투명화와 변연 줄기세포 결핍과 자주 연관되어 있습니다. 주로 PAX6 유전자에 영향을 미치는 기저 유전적 돌연변이는 각막의 발달과 기능을 방해합니다. 홍채 결손 외에 가장 흔한 안구 특징으로는 안진, 중심와저형성, 백내장, 녹내장, 그리고 무의관 관련 각막병증(AAK)이 있습니다. 생 체 내 모델은 무호흡증 병리학에 대한 귀중한 통찰을 제공하지만, 환자 유도 시험 관 모델은 질병 기전 조사와 잠재적 치료법 평가에 매우 중요합니다. 본 연구에서는 환자 유도 만능줄기세포(iPSCs)를 이용한 시험관 내 AAK 모델을 제시합니다. 저희 프로토콜은 자기조립된 3차원 오가노이드 내에서 iPSC를 각막 상피 유사 세포로 단계적으로 분화하는 과정을 포함하며, 이는 원래의 각막 미세환경을 모방합니다. 분화 배양 조건의 최적화를 통해 우리는 각막 세포 집단을 가진 각막 오가노이드를 성공적으로 생성하여 인간 각막의 핵심 구조적·기능적 특성을 재현했습니다.
각막은 무성하고 투명한 조직으로, 눈의 가장 바깥층을 형성하며, 주로 세 개의 층으로 구성되어 있습니다: 상피 외층, 각막세포가 채워진 콜라겐이 풍부한 세포외기질이 있는 기질층, 그리고 내피 세포층1. 각막은 내부 안구 구조를 보호하고 빛을 굴절시켜 시각에 필수적인 역할을 합니다.
아니리디아는 주로 쌍 박스 유전자 6 (PAX6)의 이형접합 돌연변이로 인해 발생하는 희귀한 선천성 안안경 질환으로, 홍채2가 부분적이거나 완전히 부재하는 것이 특징입니다. 홍채 저형성 또는 부재 외에도, 대부분의 환자들은 상피 결손, 변연 줄기세포 기능 장애, 기질 변화, 점진적인 각막 불투명화 등 진행성 각막 이상을 겪으며, 궁극적으로 시각 장애로 이어집니다. AAK는 부채증 환자의 약 78%에서 90%에 영향을 미치며, 시간이 지남에 따라 심각해지는 3. 우리는 환자 유래 유도 다능 줄기세포(iPSCs)로부터 각막 오가노이드를 생성하는 상세하고 재현 가능한 프로토콜을 구축하여 시험관 내에서 질병 관련 각막 변화를 모델링하는 것을 목표로 했습니다. 동물 모델과 체외 연구가 무생물 발병 기전에 대한 귀중한 통찰을 제공했지만, 종별 차이와 환자 조직에 대한 제한된 접근성으로 인해 번역적 관련성이 제한됩니다.
인간 iPSC 유래 오가노이드는 인간 발달과 질병 모델링을 위한 강력한 시험관 내 시스템으로 부상했습니다 4,5. 특히 각막 오가노이드는 공간적 조직, 생리적 세포-세포 상호작용, 미세환경 복잡성이 없는 기존 2차원 단층 배양과 달리, 층화된 상피 조직, 기질-상피 상호작용, 세포외 기질 침착 등 원래의 각막 구조와 더 유사한 3차원 조직 유사 구조를 생성할 수 있게 합니다 4,5. SEAM 기반 및 안구 전구세포 기반 접근법 등 여러 차별 전략이iPSCs 6에서 각막 유사 조직을 생성하는 것으로 보고되었습니다. 이러한 접근법은 일반적으로 초기 안구 계통 유도 단계를 거쳐 점진적인 조직 전문화 및 이질적인 안구 전구세포 집단에서 선별하는 과정을 포함합니다. 각막 오가노이드 생성은 각막 조직에 존재하는 다양한 세포 유형을 연구할 기회를 제공합니다 7,8. 더불어, 부채증 환자의 iPSC 유래 각막 오가노이드는 질병의 유전적 배경을 연구할 수 있게 하며, 무채질을 연구할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다.
본 프로토콜에서는 야생형과 무리질 유래 iPSC 라인 모두가 분화(DM), 망막 분화(RDM), 각막 분화 배지(CDM)에 대한 순차적 노출을 포함하는 동일한 다단계 분화 전략을 장기간 수주에 걸쳐 적용합니다. 중요한 실험 단계는 부착 배양에서 현탁 상태로 전환하는 과정으로, 이 과정에서 선택된 각막 유사 영역을 유지하여 상피 자기조직화를 촉진합니다.
이 접근법은 비교 질병 모델링에 적합한 각막 유사 상피 구조의 재현 가능성을 지원하지만, 신경 신경 지배나 완전한 림계 지위 조직과 같은 복잡한 생 체 내 특징을 완전히 재현하지는 못하므로, 이 점은 방법의 적용 가능성 평가 시 고려해야 합니다.
이 맥락에서, 우리는 PAX6 돌연변이를 가진 환자 유래 iPSC로부터 각막 오가노이드를 생성하는 표준화된 프로토콜을 설명합니다. 중요한 점은, 야생형과 무리암 유래 계통 간에 구분 전략 자체가 변경되지 않는다는 것이다; 대신, 질병 특이적 표현형은 환자 특이적 유전적 배경에서 일관된 실험 틀 내에서 나타납니다.
전반적으로 이 방법은 각막 발생과 무폐증 관련 질환 기전을 연구할 수 있는 견고하고 재현 가능한 기반을 제공하며, 향후 기전 및 중개 연구의 기초가 될 수 있습니다.
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모든 절차는 윤리위원회의 지침에 따라 진행되었습니다. 이 연구는 인간 다능 줄기세포 등록부(hPSCreg) 데이터베이스에 등록되었으며, 윤리적 승인은 프랑스 고등연구혁신부(MESRI)에 의해 문서화되었습니다. IE-2018-967)9. iPSC는 AAKIPSi001-A(AAK1), AAKIPSi002-A(AAK2), AAKIPSi003-A(AAK3), WT(건강 기증자로부터 명칭)로 지정됩니다. 더욱이, 하세테페 대학교 윤리위원회는 참조 번호 16969557-1213에 따라 이 연구의 사용을 승인했습니다. 이 연구에 사용된 인간 세포주는 획득 시 국가 규제 승인이 필요했습니다. 이 승인은 저자 중 한 명이 참여한 컨소시엄 프레임워크 하에 이루어졌습니다. 본 원고는 해당 컨소시엄 프로젝트와 직접적으로 관련이 없으나, 사용된 생물학적 재료는 해당 윤리적 틀 내에서 획득 및 승인되었습니다. 따라서 이 대학의 승인은 완전한 규제 투명성을 보장하기 위해 적절히 인용되었습니다. 이 프로토콜에서 사용된 재료, 시약 및 장비와 관련된 모든 세부 사항은 재료표에 나열되어 있습니다. 모든 실험 절차는 멸균 환경을 유지하기 위해 층류 캐비닛(BSL-2) 내에서 수행되었습니다. 이 장치는 연구에 사용된 모든 재료와 장비가 적절히 멸균되도록 보장하여 오염 위험을 최소화하고 실험 결과의 무결성을 보장합니다.
1. 인간 유도 다능성 줄기세포(hiPSC) 유래 각막 오가노이드 생성
2. 각막 오가노이드의 특성
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인간 유도 다능성 줄기세포(hiPSCs)의 줄기성
실험에 사용된 인간 iPSC의 줄기 성향을 평가하기 위해 밝은 시야 영상, 면역염색, qRT-PCR 분석을 수행했습니다. 우리는 OCT3/4, SOX2, NANOG를 포함한 주요 다능성 표지자의 발현을 평가했으며, 이들은 인간 다능성 줄기세포에서 다능성 유지와 자기 갱신에 필수적인 핵심 전사 인자입니다11.
밝은 필드 영상은 경계가 뚜렷한 조밀한 집단이 특징인 전형적인 다능성 줄기세포 형태를 보여주었다(그림 2A). 면역형광 염색은 대조군과 환자 유래 iPSC 모두에서 OCT3/4와 NANOG의 강한 핵 위치 확인을 보여주었으며(
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대조군 오가노이드와 무리증 환자에서 유래한 오가노이드 간의 비교 분석에서는 상피 층화, 비정상적인 세포외기질 침착, PAX6 유전자의 발현 조절 이상이 드러났습니다.
다양한 무생물 환자 샘플, 특히 AAK1, AAK2, AAK3 계통에서 유래한 iPSC의 성장 속도는 변이성을 보이며, 이는 주로 PAX6 유전자의 돌연변이에 의해 발생하는 기저 유전적 다양성을 반영할 수 있습니다. 이는 각 환자의 고유한 세포 특성에 따라 세포 재프로그래밍 효율성과 줄기세포 행동에 차이를 초래할 수 있습니다17. 이러한 성장률 차이는 식단의 질병 기전에 대한 귀중한 통찰을 제공하고 개인 맞춤형 치료 전략 개발을 안내할 수 있습니다9.
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저자들은 공개하지 않았다.
이 연구는 TÜBİTAK 121N276과 유럽 희귀질환 공동 프로그램의 지원을 받으며, 유럽연합(Horizon 2020 ERA 의장 프로그램, RareBoost 프로젝트 보조금 번호: 952346)의 일부 지원을 받고 있습니다. A.C.K.는 YÖK 100/2000 박사 장학금과 TÜBİTAK-BİDEB 2211A 펠로우십의 지원을 받고 있습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 10 mL 혈청학적 피펫 | ZA 바이오테크노 | Labselect SP-003-10 | |
| 15 mL 원추형 튜브 | Labselect | CT-002-15A | |
| 2 mL 혈청학적 피펫 | Labselect | Labselect SP-003-2 | |
| 5 mL 혈청학적 피펫 | Cleanteks | Biofil GSP010005 | |
| 50 mL 원추형 튜브 | Golden Gate | CT-002-50 | |
| 50 mL 혈청학적 피펫 | BIOFILL | GSP020050 | |
| Anti Mouse 594 | Jackson Immuno | 715-585-150 | 희석 범위: 1:100 - 1:800 |
| Anti Rabbit 488 | Jackson Immuno | 711-545-152 | 희석 범위: 1:100 - 1:800 |
| 자동 오븐 VAPOUR-Line lite | VWR chemicals | VAPOUR-Lineeco 25 | |
| B27 보충제 | GIBCO | 12587010 | 비타민 A 포함 |
| 벤치톱 원심분리기 | Eppendorf | 5702 | |
| 벤치톱 현미경 DMI1 | Olympus | CKX41 | |
| 생물학적 안전 캐비닛 Class II | Thermo | Safe 2020 | |
| 우청 알부민 (BSA) | Sigma-Aldrich | A8806 | |
| CellBanker 1 | Worthington Industries | LABS-20K | |
| 커버슬립 24 mm x 50 mm | ISOLAB | 280 | |
| Cryomatrix, OCT | Fisher Healthcare | 30226281 | |
| Cryovial | BioSigma | N403522 | |
| DAPI | NEOFROXX | 1322 | |
| DAPI | NEOFROXX | 1539 | 0.5 ug/mL |
| DMEM/F12 배지 | GIBCO | 31330-038 | |
| Dulbecco's Phosphate-buffered Saline (DPBS) | Gibco | 14190144 | 1X |
| EGF | GIBCO | PHG0311 | |
| Ethanol 100% | Sigma | 64-17-5 | |
| Ethanol 70% | Sigma | 64-17-5 | Ethanol 희석 |
| 세포외 기질 (ECM) | Corning | 354277 | LDEV-free |
| FGF2 | GIBCO | PHG0024 | |
| GlutaMax | GIBCO | 35050061 | |
| GoTaq Master Mix | Promega | M7123 | |
| 배양기 | Memmert INCO 153 med | 44043 | |
| 인슐린-셀레늄-트랜스페린 | GIBCO | 41400045 | |
| KnockOut 혈청 (KOSR) | GIBCO | 10828028 | |
| 마이크로토믹 RM2235 | Leica | RM2235 | |
| 마운팅 매체 | abcam | ab104135 | |
| mTSER 배지 | STEMCELL | 85850 | |
| Mutiwell 배양 플레이트 (6-웰) | CORNING | 3516 | |
| N2 보충제 | R&D | AR003 | |
| 비필수 아미노산 (NEAA) | LONZA | BE13-114E | |
| P20, P200 및 P1000 피펫 | Gilson | F167350 | |
| 파라핀 | VWR chemicals | 10048502 | |
| 파라포름알데히드 | Sigma-Aldrich | F8775 | |
| Primer 항체 Aquaporin mAb | abcam | ab9566 | 희석 범위: 1:50-1:200 |
| Primer 항체 CK14 | Santa Cruz Biotechnology | sc-53253 | 희석 범위: 1:50-1:500 |
| Primer 항체 CK19 | ProteinTech | 14965-1-AP | 희석 범위: 1:150-1:600 |
| Primer 항체 CK3 | NOVUS | NBP2-91997 0.1 ML | 희석 범위: 1:50-1:200 |
| Primer 항체 CK5 | Thermo | MA517057 | 희석 범위: 1:200-1:1000 |
| Primer 항체 Collagen Type IV | abcam | ab6586 | 희석 범위: 1:100-1:500 |
| Primer 항체 Keratocan | Bioss | bs-11054R | 희석 범위: 1:50-1:200 |
| Primer 항체 Na/K - ATPase | Santa Cruz Biotechnology | sc-21712 | 희석 범위: 1:50-1:500 |
| Primer 항체 N-Cadherin | abcam | ab76011 | 희석 범위: 1:50-1:500 |
| Primer 항체 p63 | SANTACRUZ | sc-25268 | 희석 범위: 1:50-1:500 |
| Primer 항체 Pax6 | Novus | NBP2-44576 | 희석 범위: 1:50-1:200 |
| RNA 분리 키트 | Macherey–Nagel | 740984.50 | |
| Rock 저해제 (Y |
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