인간 배아줄기세포 유래 신경전구세포의 특성 분석

Human Embryonic Stem Cell-derived Neuroectodermal Spheres Revealing Neural Precursor Cell Properties

만능성 인간 배아줄기세포로부터 확립된 신경줄기세포 또는 신경전구세포는 퇴행성 신경질환 세포치료제로 이용될 수 있는 다양한 종류의 신경세포로 분화 유도될 수 있다. 하지만, 인간 배아줄기세포로부터 신경세포를 생산하기 위한 기술은 아직 많은 장애를 가지고 있다. 인간 배아줄기세포 유래 신경전구세포에서 특징적으로 나타나는 신경관 유사로제트에 대한 이해는 인간 배아줄기세포 신경 분화의 효율을 높이는데 유용한 정보를 제공할 것으로 사료된다. 일반적으로 신경로제트(neural rosette)는 분화 중인 배아체를 부착 배양함으로써 유도하지만, 이 방법은 시간이 걸리고 복잡하다는 단점이 있다. 본 연구에서는 신경로제트가 부착배양을 하지 않고 부유배양으로 형성될 수 있는지 조사하였다. 우선적으로, 배아체 형성 및 신경분화에 인간 배아줄기세포 클럼프(clump) 크기가 영향을 주는지를 조사하였고, 사방 $500\;{\mu}m$ 크기의 인간 배아줄기세포 클럼프가 신경 분화 유도에 가장 효과적임을 확인하였다. 로제트 형성을 유도하기 위해, 사방 $500\;{\mu}m$ 크기의 인간 배아줄기세포 클럼프를 1주일 동안 EB 배양배지에 부유 배양함으로써 균일한 크기의 배아체를 얻은 후, NES 배양 배지에서 부가적으로 $1{\sim}2$주 동안 계속 부유 배양한 결과, $7{\sim}10$일 사이에 신경관 유사 로제트가 형성됨을 확인하였다. 로제트 형성 세포의 신경전구세포로서 특성은 RT-PCR과 면역형광염색법을 이용한 신경전구세포 특이적 마커(vimentivi, nestin, MSI1, MSI2, Sox1, Tuj1) 발현을 통해 확인하였다. 또한, 성장인자를 제외한 NES 배양 배지에서 신경로제트를 $2{\sim}6$주 동안 지속적으로 배양하면 성숙 신경세포로의 말단 분화가 유도됨을 확인하였다. 신경세포 특이적 마커(Tuj1, MAP2, GABA)와 신경아교 특이적 마커($S100{\beta}$, GFAP)는 $2{\sim}3$주 또는 4주 후에 각각 발현이 유도됨을 확인하였고, 희소 돌기아교 특이적 마커(O1과 CNPase)는 $5{\sim}6$주 후에 발현이 증가함을 확인하였다. 본 연구결과는 신경로제트가 부유 배양시스템에서 성공적으로 형성됨을 보여주고 있으며, 이는 인간 배아줄기세포의 신경 분화를 이해하고, 신경전구세포 유도 과정을 단순화하는데 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.

Neural stem/precursor derived from pluripotent human embryonic stem cells (hESCs) has considerable therapeutic potential due to their ability to generate various neural cells which can be used in cell-replacement therapies for neurodegenerative diseases. However, production of neural cells from hESCs remains technically very difficult. Understanding neural-tube like rosette characteristic neural precursor cells from hESCs may provide useful information to increase the efficiency of hESC neural differentiation. Generally, neural rosettes were derived from differentiating hEBs in attached culture system, however this is time-consuming and complicated. Here, we examined if neural rosettes could be formed in suspension culture system by bypassing attachment requirement. First, we tested whether the size of hESC clumps affected the formation of human embryonic bodies (hEBs) and neural differentiation. We confirmed that hEBs derived from $500{\times}500\;{\mu}m$ square sized hESC clumps were effectively differentiated into neural lineage than those of the other sizes. To induce the rosette formation, regular size hEBs were derived by incubation of hESC clumps($500{\times}500\;{\mu}m$) in EB medium for 1 wk in a suspended condition on low attachment culture dish and further incubated for additional $1{\sim}2$ wks in neuroectodermal sphere(NES)-culture medium. We observed the neural tube-like rosette structure from hEBs after $7{\sim}10$ days of differentiation. Their identity as a neural precursor cells was assessed by measuring their expressions of neural precursor markers(Vimentin, Nestin, MSI1, MSI2, Prominin-1, Pax6, Sox1, N-cadherin, Otx2, and Tuj1) by RT-PCR and immunofluorescence staining. We also confirmed that neural rosettes could be terminally differentiated into mature neural cell types by additional incubation for $2{\sim}6$ wks with NES medium without growth factors. Neuronal(Tuj1, MAP2, GABA) and glial($S100{\beta}$ and GFAP) markers were highly expressed after $2{\sim}3$ and 4 wks of incubation, respectively. Expression of oligodendrocyte markers O1 and CNPase was significantly increased after $5{\sim}6$ wks of incubation. Our results demonstrate that rosette forming neural precursor cells could be successfully derived from suspension culture system and that will not only help us understand the neural differentiation process of hESCs but also simplify the derivation process of neural precursors from hESCs.