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참고문헌 2022.03.14
[지방 줄기세포, AD-MSC 임상 논문] 디스크 질환 (만성 요추 통증) Stem Cell Research & Therapy, 2017

Safety and tolerability of intradiscal implantation of combined autologous adipose-derived mesenchymal stem cells and hyaluronic acid in patients with chronic discogenic low back pain: 1-year follow-up of a phase I study

Stem Cell research & Therapy, 2017, DOI 10.1186/s13287-017-0710-3

Hemant Kumar1† , Doo-Hoe Ha2† , Eun-Jong Lee3† , Jun Hee Park4 , Jeong Hyun Shim4 , Tae-Keun Ahn5 , Kyoung-Tae Kim6 , Alexander E. Ropper7 , Seil Sohn1 , Chung-Hun Kim8 , Devang Kashyap Thakor9 , Soo-Hong Lee10* and In-Bo Han1*



Intervertebral disc (IVD) degeneration is characterized by progressive and irreversible IVD degradation due to many different causes [2, 4, 5]. Although not all patients with radiological evidence of IVD degeneration have LBP (Low Back Pain), IVD degeneration is considered one of the major causes of chronic LBP [6, 7]. The causes of IVD degeneration are complex and multifactorial, and include genetic, nutritional, and mechanical influences [2, 8]. IVD degeneration is characterized by progressive decline in nucleus pulposus (NP) hydration due to the loss of extracellular matrix (ECM) molecules such as aggrecan and collagen [2, 8]. This decreased disc hydration results in a loss of mechanical tension in the collagen fibers of the annulus fibrosus and results in abnormal spinal axial loading forces and segmental instability [9].

The existing surgical procedures to correct herniated disc or spinal stenosis caused by IVD degeneration do not address the abnormal increase in pro-inflammatory cytokine levels of the degenerated disc or the inherent loss of functional native cells within the IVD. Current research is focusing on the development of stem cell based therapies to inhibit aberrant cytokine production, stimulate matrix anabolism, and repopulate and influence the native cells. Several adult stem cell types have been applied in preclinical and clinical studies [2, 12–14], and mesenchymal stem cells (MSCs) have been anticipated as an ideal cell source for IVD regeneration because of their immunomodulatory functions and capacity for cartilage differentiation. A small human clinical trial demonstrated improved pain and disability scores as well as increased water content in the disc 12 months after MSC implantation [12–14]. In previous preclinical studies, implanted MSCs enhanced ECM production, particularly glycosaminoglycan synthesis, and increased disc height and hydration [15–20]. Additionally, MSCs isolated from bone marrow and adipose tissue are able to differentiate into an NP-like phenotype [20–25].

To our knowledge, the safety and tolerability of implantation of autologous adipose tissue-derived MSCs (AT-MSCs) has not been tested clinically in patients with chronic discogenic LBP. Therefore, the purpose of this phase I clinical trial was to investigate the safety and tolerability of a single intra-discal implantation of combined AT-MSCs and HA derivative in patients with chronic discogenic LBP.



  Patients Population

It is monitored that VAS, ODI, SF-36, and disc water content from baseline to 12 months after combined implantation of AT-MSCs and HA derivative. Clinical evaluations and laboratory checks were performed at 1 week and 1, 3, 6, 9, and 12 months after combined implantation of ATMSCs Initial and follow-up lumbar spine X-ray imaging and MRI (apparent diffusion coefficient (ADC) mapping from diffusion-weighted imaging (DWI)) were performed prior to cell transplantation and at 1 month, 6 months, and 1 year after transplantation to determine changes in disc height and water content in the treated discs.


  Cell preparation and culturing

Isolation and expansion of autologous AD-MSCs Subcutaneous abdominal adipose tissue was harvested via liposuction performed 3 weeks before transplantation under local anesthesia. In total, 150 ml of tissue was obtained by suction using 50-ml syringes. Isolated AD-MSCs were plated on flasks and incubated at 37 °C, 5% CO2 atmosphere. The medium was then changed every 2–3 days until the cells achieved 80–90% confluence. The cells were suspended at a concentration of 5 × 107 cells/1.25 ml of normal saline/vial. For each patient, cultured AT-MSCs at passage 3 were delivered.



  VAS, ODI Score

The clinical success rate was determined as the percent change in VAS and ODI scores between pretreatment and 12-month mean follow-up; the treatment was defined as successful when patients reported pain reduction ≥ 50% and ODI improvement ≥ 50% compared with pretreatment VAS and ODI scores. The mean pretreatment VAS for LBP decreased from a baseline of 6.5 ± 1.27 to 4.6 ± 1.07 at 1 month (P = 0.01), and even further to 4.3 ± 1.63 at 3 months (P = 0.02), 3.2 ± 1.40 at 6 months (P = 0.004), and 2.9 ± 1.66 at 1 year (P = 0.002) (Figure 1). The mean ODI score of 42.8 ± 15.03% before treatment declined to 31.2 ± 13.86% at 1 month (P = 0.002), 31.7 ± 14.22% at 3 months (P = 0.01), 21.3 ± 7.42% at 6 months (P = 0.002), and 16.8 ± 9.77% at the 12-month follow-up visit (P = 0.002) (Figure 2). Seven of the 10 patients (cases 2, 4, 5, 6, 7, 8, and 9) showed significant improvement ≥ 50% in the VAS and ODI at 6 months.


  Image Analysis

The severity of disc degeneration was evaluated based on conventional T2-weighted sagittal images [29]. Among the six patients (cases 2, 4, 5, 7, 8, and 9) who achieved treatment success at the final follow-up, cases 4, 8, and 9 showed increased water content based on the ADC map at the 12-month follow-up (Figure 3)



Our clinical study confirmed the safety and tolerability of AT-MSCs in patients with IVD degeneration. Significant improvements in the VAS pain score and ODI score were demonstrated in six of 10 patients. The rehydration of the discs in three of six patients according to ADC mapping in conjunction with sustained pain relief throughout the 12- month duration of the study demonstrates the promise of this regenerative medicine approach. These favorable results support the initiation of phase II, prospective randomized clinical trials.


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 국문 제목

Safety and tolerability of intradiscal implantation of combined autologous adipose-derived mesenchymal stem cells and hyaluronic acid in patients with chronic discogenic low back pain: 1-year follow-up of a phase I study

자가 지방 유래 중간엽 줄기세포의 추간판 내 투여를 통한 환자의 만성 요추 통증 개선에 대한 안정성 및 치료 효용성 : 1년간의 임상 1상 추적 관찰 결과



디스크 질환은 다양한 원인으로부터 비롯되는 진행성 추간판 손상을 뜻한다. 모든 경우의 디스크 질환에서 요추 통증이 동반되는 것은 아니지만, 디스크 질환이 그 주된 원인으로 꼽힌다. 만성 요추 통증은 유전적, 영양학적, 물리적 영향 등 다양한 원인에 의해 비롯되는데, 디스크를 감싸고 있는 Aggrecan, Collagen 등의 세포 외 기질 (Extracellular Matrix, ECM)의 점진적 감소로 수핵을 둘러싸고 있는 섬유륜 (Annulus Fibrosus)의 물리적 장력 감소를 일으킨다. 디스크 수핵 (Nucleus Pulposus)내 탈수 (Dehydration)척추의 상하 좌우 운동에 장애를 가져온다.

추간판 탈출 증, 척추 관 협착 증에 대한 기존의 수술적 치료는 퇴행성 디스크 내 전 염증성 사이토카인 (Pro-Inflammatory Cytokine)’ 과다 분비를 억제하거나, 손상 세포를 정상 기능으로 되돌리는 것이 불가능하다. 이에, 과도한 사이토카인 분비 억제 및 세포의 기능 활성화를 주요 특징으로 하는 줄기세포를 이용한 다양한 전임상, 임상 연구가 활발히 진행 중이다. 특히, 줄기세포의 면역 조절 능력과 연골 분화 능력을 이용한 디스크 질환 치료에 대한 기대가 커지고 있다. 중간엽 줄기세포 투여가 세포 외 기질 (ECM)을 구성하는 Glycosaminoglycan 의 합성을 촉진해 추간판의 크기가 정상 범위로 회복됨이 전임상 실험을 통해 확인된 바 있다 또한, 지방 유래 중간엽 줄기세포, 골수 유래 중간엽 줄기세포 모두 수핵 세포로의 분화가 가능함을 밝힌 실험 결과가 보고되기도 했다.

본 연구진은 전에 시도된 바 없는 만성 요추 통증 환자의 추간판 내 주사를 통한 자가 지방 유래 중간엽 줄기세포 투여의 안정성 및 치료 효용성에 대한 임상 1상 연구 결과를 보고하는 바이다.


  실험 방법

  임상 실험 참가자

실험 참여 환자들의 통증 및 건강상태를 확인하기 위한 지표로, 투여 시작 시점부터 12개월 이후까지, VAS 점수와 ODI 의 변화를 줄기세포 투여 직후부터 1개월, 3개월, 6개월, 12개월 단위로 측정하였다. , 추간판의 탈수 정도 확인을 위한 요추 MRI 촬영은 투여 직후부터 1개월, 6개월, 12개월 단위로 진행하였다.


  줄기세포 추출 및 배양

국소 마취를 통해 채취한 150ml의 피하지방으로부터 중간엽 줄기세포를 분리하였다. 이를 배양용 플라스크로 옮긴 뒤, 줄기세포가 배양 용기 표면의 80 - 90%을 차지할 때까지 2 - 3일 단위로 배양액을 교체해 주였다. 3계대 배양을 통해 얻은 5X107 개의 세포를 1.25ml 주사 용액에 부유시켜 추간판 내 주사하였다.



  VAS, ODI 측정

본 연구는 통증의 경중을 10단계로 점수화한 지표인 VAS (Visual Analog Scale) 수치와 50점 만점의 요통에 의한 행동 장애 중증도 점수인 ODI (Oswestry Disability Index, %) 가 줄기세포 투여 전과 비교해 투여 12개월 후, 50% 이상의 개선을 치료의 유의성 평가 척도로 삼았다.

만성 요추 통증 환자의 평균 VAS 점수는 줄기세포 투여 전 6.5 ± 1.27 에서 1개월 뒤 4.6 ± 1.07 (P=0.01), 3개월 뒤 4.3 ± 1.63 (P=0.02), 6개월 뒤 3.2 ± 1.40 (P=0.004), 12개월 뒤 2.9 ± 1.66 (P=0.002) 로 점진적 감소를 보였다, 평균 ODI (%) 역시 같은 시기 동안 42.8 ± 15.03 에서 31.2 ± 13.86 (P = 0.002), 31.7 ± 14.22 (P = 0.01), 21.3 ± 7.42 (P = 0.002), 16.8 ± 9.77 (P = 0.002)로 감소 추세를 보였다.

개별적으로, 10명의 임상 실험 참가자 중, 7명에게서 투여 6개월 뒤, 50% 이상의 VAS 점수와 ODI 의 감소를 보였다.



  MRI 이미지 분석

다음으로, MRI 촬영 (T2-weighted sagittal images) 을 통해 퇴행성 추간판 질환의 중증도를 시각적으로 확인하였다. 조영제의 확산 정도를 통해 추간판 내 탈수 정도를 알 수 있는 MRI 촬영 기법인 DWI (Diffusion Weighted Image) 촬영 결과, 큰 폭의 VAS 점수와 ODI의 개선을 보인 환자 3인에게서 줄기세포 투여 12개월 뒤, 추간판 내 수분 양 증가가 관찰되었다.