KR101909447B1 - System and Method for Quantitatively Estimating Delivering Efficiency of Cells and/or Drugs in Microvessels and Tissue - Google Patents

System and Method for Quantitatively Estimating Delivering Efficiency of Cells and/or Drugs in Microvessels and Tissue Download PDF

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Abstract

본 개시 내용의 구체예에 따르면, 혈액에 대한 플라즈마 스키밍 모델에 기반한 시뮬레이션 툴(tool) 및 간단한 생체 외 실험으로부터 얻어진 결과를 이용하여 미세혈관 흐름 내 세포 및/또는 약물의 분포(또는 거동)을 예측함으로써 약물 등의 설계에 효과적으로 활용할 수 있는 미세혈관 내 세포 및/또는 약물 전달 효율 정량화 시스템 및 방법이 기재된다.According to embodiments of the present disclosure, the distribution (or behavior) of cells and / or drugs in microvascular flow can be predicted using simulation tools based on a plasma skimming model of blood and results obtained from simple in vitro experiments A microvascular endothelial cell and / or a drug delivery efficiency quantification system and method which can be effectively utilized in the design of drugs and the like are described.

Description

미세혈관 및 주변 조직 내 세포 및/또는 약물 전달 효율 정량화 시스템 및 방법 {System and Method for Quantitatively Estimating Delivering Efficiency of Cells and/or Drugs in Microvessels and Tissue}Technical Field [0001] The present invention relates to a system and a method for quantitating cell and / or drug delivery efficiency in microvessels and peripheral tissues,

본 개시 내용은 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물의 전달 효율을 정량화 할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 측정이 불가능한 체내 세포 및 약물 전달과정을 정밀하게 예측하기 위하여, 미세유체(microfluidic) 채널 기반의 간단한 생체 외(in vitro) 분석 실험, 그리고 미세혈관 및 주변조직에서 물질 전달을 예측할 수 있는 시뮬레이션 툴(예를 들면, 전산 모델 또는 소프트웨어)를 결합하여 체내 전달 효율을 정량화할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to systems and methods that can quantify the delivery efficiency of cells and / or drugs in microvessels and surrounding tissues. More specifically, the disclosure is directed to a simple in vitro (microfluidic) channel-based, in- vitro vitro) assays, and relates to microvascular and simulations to predict the mass transfer from the surrounding tissues tool (e.g., a computational model or a system and method for quantifying the body transfer efficiency by combining the software).

혈액은 가장 중요한 생물학적 유체, 구체적으로 다상 생물학적 유체(플라즈마 내에 변형 가능한(deformable) 적혈구 세포가 부유되어 있음)로서 항상성(homeostasis)을 유지하기 위한 다양한 기본 기능(영양분 및 산소를 조직 및 기관으로 전달하는 것부터 pH 및 체온을 조절하는 것)을 수행한다. 혈액은 인체의 기능에 관한 수많은 정보를 함유하고 있기 때문에 완벽하게 혈액을 분석하는 것은 주된 의료 진단 테스트로 인정되어 왔다. 넓은 의미에서 플라즈마 및 세포는 각각 혈액의 약 60% 및 약 40%를 구성하는 주요 성분에 해당된다. 혈액 중 1 밀리리터 당 약 50억 개의 세포들 중 적혈구는 전체 세포 성분 중 93% 이상을 차지하고 있다.Blood is the most important biological fluid, specifically a multiphase biological fluid (deformable red blood cells are suspended in the plasma), and a variety of basic functions to maintain homeostasis, including the transfer of nutrients and oxygen to tissues and organs To adjust pH and body temperature). Because blood contains a lot of information about the function of the human body, perfect blood analysis has been recognized as the main medical diagnostic test. In a broad sense, plasma and cells are each a major component of about 60% and about 40% of blood, respectively. Of the approximately 5 billion cells per milliliter of blood, red blood cells account for more than 93% of total cellular components.

한편, 화학 치료제를 함유하는 약물 담체(또는 캐리어)는 효과적인 진단 및 다양한 질병 치료를 위하여 위에서 언급한 혈액의 거대순환계로 섭취된다. 이 때 혈관 내 타겟 부위에 정확하게 도달하게 만들기 위하여 종래에는 나노 사이즈를 갖는 약물 담체의 사이즈 및 형상 조절, 전기적 신호 조절, 항체 도입 등의 방법이 제안된 바 있다. 또한 질환 부위에 약물 담체를 정확하게 전달하기 위하여 정상 부위와 질환 부위 간 미세혈관의 차이점을 이용하는 방안이 고려되고 있다. On the other hand, a drug carrier (or carrier) containing a chemotherapeutic agent is ingested into the above-mentioned macrocirculatory system of blood for effective diagnosis and treatment of various diseases. In order to accurately reach the target site in the blood vessel, methods of adjusting the size and shape of the nano-sized drug carrier, controlling the electrical signal, and introducing the antibody have been proposed. Also, in order to accurately deliver the drug carrier to the diseased site, a method of using microvascular differences between the normal site and the diseased site is considered.

하지만 기존의 약물 담체 전달효율을 측정하기 위한 마이크로 채널 및 동물실험들은 두가지 한계를 가지고 있다. 첫째로, 매우 제한적이고 정성적인 측정만이 가능하며 둘째로, 동물실험에서 최적화된 약물담체가 임상에서 적용가능한지에 대한 명확한 근거를 제시하는데에 기술적 곤란성이 존재한다. However, microchannel and animal experiments for measuring the efficiency of conventional drug carrier delivery have two limitations. Firstly, only very limited and qualitative measurements are possible, and second, there is a technical difficulty in presenting a clear basis for whether an optimized drug carrier in an animal experiment is applicable in clinical practice.

이와 관련하여, 국내특허공개번호 제2015-0000450호는 피험자의 대상 혈관 부위의 3차원 형상 데이터에 혈류에 관한 경계 조건을 부여하고, 대상혈관 부위의 내강을 메쉬 분할하고, 각 메쉬 위치에 있어서의 혈류의 상태량을 연산에 의하여 도출하는 혈류해석 시스템을 개시하고 있다. 또한, 국내특허번호 제1530352호는 혈관 벽 및 플라그의 물질특성에 기반하여 관류를 해석하는 물질 특성에 기반한 전산 유체역학 모델링 및 분석 방법을 제시하고 있다.In this regard, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2015-0000450 discloses a method of providing a three-dimensional shape data of a subject's blood vessel region by subjecting a subject to a boundary condition relating to blood flow, dividing the lumen of the subject blood vessel region by a mesh, Discloses a blood flow analysis system that derives a state amount of blood flow by calculation. In addition, Korean Patent No. 1530352 proposes a computational fluid dynamics modeling and analysis method based on material properties that analyze perfusion based on the material properties of blood vessel walls and plaques.

약물 담체의 분포 특성을 예측하기 위한 택일적 방안으로서 미세혈관 내에서 약물 담체의 타겟 효율을 평가할 수 있는 수학적 및 전산 모델을 확보하는 것을 예시할 수 있다. 몇몇 전산 모델의 경우, 세포와 약물 담체 간의 상호 작용을 모사하려는 시도를 제시하고 있다. 미세혈관 내 약물 담체를 이용한 혈액 흐름 모사가 가능함에도 불구하고 전체 미세혈관 내 세포 및/또는 약물 담체를 직접적으로 수치 모사하는 기술은 과도한 실험에 따른 곤란성으로 인하여 현재까지는 보고된 바 없다. As an alternative method for predicting the distribution characteristics of the drug carrier, it can be exemplified to secure a mathematical and computational model capable of evaluating the target efficiency of the drug carrier in the microvessels. In some computational models, attempts have been made to simulate interaction between cells and drug carriers. Despite the possibility of blood flow simulation using a microvascular drug carrier, the technique of directly simulating the whole microvascular endothelial cells and / or drug carrier has not been reported up to now due to difficulties due to excessive experimentation.

한편, 미세혈관 내 혈액 흐름을 단순화하기 위하여 수학적 모델을 활용하는 방안도 연구되고 있다. 예를 들면, 국내특허번호 제949460호는 형광 프로브의 생체 내 역학을 이용하여 정상 관류 이하의 저하된 관류로부터 정상 관류 이상의 증가된 넓은 범위에서 각각의 부위별 정확한 생체 관류 측정이 가능한 수학적 모델에 기반한 약물 동역학적 혈관 특성 추출 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 방법에 의하여는 나노 사이즈에서부터 마이크로 사이즈의 약물 담체가 미세혈관을 통하여 타겟 부위까지 전달되는 거동을 정확하게 예측하는데 한계가 존재한다. On the other hand, the use of a mathematical model to simplify blood flow in the microvessels is being studied. For example, Korean Patent No. 949460 discloses a fluorescence probe based on a mathematical model capable of accurately measuring the biofluidity of each region in a wide range from a lowered perfusion below a normal perfusion to a normal perfusion using an in vivo dynamics of a fluorescent probe Discloses a method for extracting pharmacokinetic vascular characteristics. However, there is a limit to precisely predict the behavior of a drug carrier from nano size to micro size through the microvessels to the target site by the above method.

일반적으로, 미세혈관 내 혈액 흐름(유동)은 생체 내(in - vivo) 점도를 이용한 푸아죄유의 법칙(Poiseuille's law)에 의하여 산출될 수 있고, 개별 분지 지점에서의 흐름 분리는 질량 보존의 법칙에 의하여 모델링될 수 있다. 이러한 수학적 모델을 이용함으로써 종양 미세혈관 내의 약물 담체는 미세혈관-네트워크 수준(전형적으로 약 100 내지 3 ㎛ 범위의 직경을 가짐)에서 모사될 수 있다.In general, microvascular blood flow (flow) can be calculated by Poiseuille 's law using in - vivo viscosity, and flow separation at individual branch points is governed by the law of conservation of mass Lt; / RTI > By using this mathematical model, drug carriers in tumor microvessels can be simulated at the microvascular-network level (typically having diameters in the range of about 100 to 3 mu m).

또한, 앞서 연구된 수학 및 전산 모델을 더욱 정밀하게 하기 위하여 개별 분지관 (bifurcation channel) 부위에서 혈액 흐름의 플라즈마 스키밍(plasma skimming) 현상을 고려해야 한다. 미세혈관 내 이동에 있어서 적혈구 세포(red blood cells; RBCs)는 혈관 코어에 집중되는 반면, 세포-희박 층(cell-free layer; CFL)은 혈관 벽 근처에 존재한다. 이로 인해, 분지관을 통과하는 혈액 및 약물 담체는 그 농도가 분지관 별로 변화를 일으키게 되고, 이를 예측하는 방법들이 필요하다. Also, in order to further refine the mathematical and computational models studied above, the plasma skimming phenomenon of blood flow in the bifurcation channel region must be considered. In microvascular migration, red blood cells (RBCs) are concentrated in the vascular core while cell-free layer (CFL) is present near the vessel wall. As a result, blood and drug carrier passing through the branch tube are changed in concentration by the branch tube, and methods for predicting the change are required.

이와 관련하여, 적혈구 세포는 혈액을 구성하는 혈구 세포의 하나로서, 혈색소가 있는 직경이 약 7 ㎛인 세포이며 핵이 없다. 적혈구 세포는 1 ㎣의 말초혈액 속에 약 450만개에서 약 500만개가 존재하며, 산소와 결합하여 산소를 말초신경으로 운반하는 역할을 한다. 이러한 기능을 달성하기 위하여, 적혈구 세포는 모든 조직 및 기관에 퍼져 있는 복잡한 미세혈관의 네트워크를 통과해야 한다. 이러한 미세혈관의 특성을 파악하기 위하여, 미국특허번호 제8,828,226호는 미세혈관 디바이스를 이용하여 적혈구 세포 등의 확산 특성을 모사하는 기술을 제안하고 있으나, 이를 통하여 약물 전달 거동까지 정확하게 예측하기는 어렵다.In this regard, red blood cells are one of the blood cells that constitute blood, hemoglobin-containing cells with a diameter of about 7 ㎛, and have no nucleus. There are about 5 million to about 5 million red blood cells in the peripheral blood of 1 하며, and they carry oxygen to the peripheral nerve by binding oxygen. To achieve this function, red blood cells must pass through a network of complex microvessels spread over all tissues and organs. In order to characterize such microvessels, U.S. Patent No. 8,828,226 suggests a technique for simulating the diffusion characteristics of red blood cells using a microvascular device, but it is difficult to accurately predict the drug delivery behavior through this.

이처럼, 전술한 2가지 영역(즉, 혈관 코어 영역 및 CFL 영역)으로 인하여, 적혈구 용적율(hematocrit) 레벨은 이후의 분지 혈관(daughter vessel)에서 변화한다. 이때, 후속 분지 프로세스는 미세혈관 내 적혈구 세포의 전체 분포 및 혈액 흐름 특성을 변화시킨다. 또한, 미세혈관 내 약물 담체의 분포는 혈액 흐름의 플라즈마 스키밍과 관련성이 높다. 따라서, 향후 특정 타겟(또는 질환) 부위로 전달 가능한 약물의 설계에 응용하기 위하여는 혈액 및/또는 약물 담체의 플라즈마 스키밍을 효과적으로 예측할 수 있는 모델에 대한 연구 필요성이 존재한다.As such, due to the two regions described above (i.e., the vascular core region and the CFL region), the hematocrit level changes in subsequent daughter vessels. At this time, the subsequent branching process changes the overall distribution of micro-blood vessel red blood cells and blood flow characteristics. In addition, the distribution of drug carriers in microvessels is highly related to plasma skimming of blood flow. Therefore, there is a need for a model that can effectively predict plasma skimming of blood and / or drug carriers in order to be applied to the design of drugs that can be delivered to specific target (or disease) sites in the future.

본 개시 내용에서는 측정이 불가능한 체내 세포 및 약물 전달과정을 정밀하게 예측하기 위하여, 마이크로플루이딕(미세유체) 채널 기반의 간단한 체외(in vitro) 실험, 그리고 미세혈관 및 주변조직에서 물질 전달을 예측할 수 있는 시뮬레이션 또는 소프트웨어를 결합하여 종래 기술에 비하여 개선된 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물의 전달 효율을 정량화할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하고자 한다. In the present disclosure, in order to precisely predict the cell body and the drug delivery process, the measurement is not possible, the micro-fluidic (microfluidic) A simple extracorporeal channel-based (in vitro) tests, and to quantify the microvascular and improved microvascular over the prior art by combining the simulation or software that can predict the mass transfer from the surrounding tissue and the surrounding tissue cells and / or drug delivery efficiency of the system and Method.

특히, 본 개시 내용에서는 체외 실험 및 높은 정확도의 미세혈관 내 세포 및/또는 약물 담체 전달에 관한 예측 모델을 통하여 효과적인 약물 설계에 대한 가이드라인을 제시하고자 한다.In particular, the present disclosure provides guidelines for effective drug design through in vitro experiments and predictive models of highly accurate microvascular endothelial cells and / or drug carrier delivery.

본 개시 내용의 제1 면에 따르면, According to a first aspect of the present disclosure,

a) 혈관계 중 임의의 혈관 세그먼트를 모사하는 미세유체 디바이스의 미세유체 채널 내로 혈액 및 약물 담체를 포함하는 혈액 혼합물을 통과시키는 단계;a) passing a blood mixture comprising blood and a drug carrier into a microfluidic channel of a microfluidic device that replicates any of the vascular segments of the vasculature;

b) 상기 단계 a)에서 미세유체 채널을 통과하는 혈액 혼합물을 흐름 거동을 분석하여 모사하고자 하는 혈관 내 흐름 정보를 얻는 단계; 및b) analyzing flow behavior of the blood mixture passing through the microfluidic channel in step a) to obtain intravascular flow information to be simulated; And

c) 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴 및 상기 혈관 내 흐름 정보를 이용하여 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물 담체의 농도 분포를 예측하는 단계;c) predicting the concentration distribution of cells and / or drug carriers in the microvessels and surrounding tissues using the mass transfer simulation tool of the microvessels and the intravascular flow information;

를 포함하는, 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물의 전달 효율을 정량화하는 방법이 제공된다. A method for quantifying the delivery efficiency of cells and / or drugs in microvessels and surrounding tissues is provided.

예시적 구체예에 있어서, 상기 혈관 내 흐름 정보는 유속(flow rate), 적혈구 용적율(hematocrit) 및 약물 담체(drug carrier)의 농도를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the intravascular flow information may include a flow rate, a hematocrit, and a concentration of a drug carrier.

예시적 구체예에 따르면, 약물 담체는 나노 사이즈를 갖는 입자일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the drug carrier may be particles having nanosize.

예시적 구체예에 따르면, 상기 혈액 혼합물은 형광 물질 또는 형광 프로브를 더 포함하며, 상기 단계 b)는 미세유체 채널을 통과하는 혈액 혼합물의 형광 특성에 기반한 이미지 프로세스에 의하여 상기 미세유체 채널 내에서의 세포 및/또는 약물 담체의 단면적 농도 분포에 관한 분포-형상 파라미터(α)를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다. According to an exemplary embodiment, the blood mixture further comprises a fluorescent substance or a fluorescent probe, said step b) being carried out by an image process based on the fluorescence properties of the blood mixture passing through the microfluidic channel, And calculating a distribution-shape parameter (alpha) on the cross-sectional area concentration distribution of the cells and / or the drug carrier.

예시적 구체예에 따르면, 상기 단계 c)에 있어서, 하기 수학식 20 내지 23에 의하여 표시되는 세포 및 약물 담체에 대한 일반화된(generalized) 플라즈마 스키밍 모델을 기반으로 하되, 상기 산출된 분포-형상 파라미터(α) 및 상기 미세혈관 내 물질 전달 시뮬레이션 툴을 이용하여 특정 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물의 분포를 예측할 수 있다:According to an exemplary embodiment, in the step c), a generalized plasma skimming model for a cell and a drug carrier represented by the following equations (20) to (23), wherein the calculated distribution- (?) and the microvascular mass transfer simulation tool can be used to predict the distribution of cells and / or drugs in specific microvessels and surrounding tissues:

Figure 112016079718553-pat00001
Figure 112016079718553-pat00001

여기서, C는 세포 또는 약물 담체의 농도이고, Q는 유속이며,

Figure 112016079718553-pat00002
은 농도 변화 계수이고, α는 미세혈관 내 C의 단면적 분포에 대한 형상 파라미터이고, M은 드리프트 파라미터(drift parameter)이고, A는 각각의 혈관의 단면적이고, 아래 첨자 0, 1 및 2는 각각 모 혈관(parent vessel) 및 2개의 분지된 혈관(daughter vessels)을 지시하며, 그리고 i는 1 및 2의 정수이다.Where C is the concentration of the cell or drug carrier, Q is the flow rate,
Figure 112016079718553-pat00002
Is the concentration variation coefficient, α is the shape parameter for the cross-sectional area distribution of C microvascular, M is the drift parameter (drift parameter), and, A is and cross-section of each vessel, the subscripts 0, 1, and 2 are each parent A parent vessel and two daughter vessels, and i is an integer of 1 and 2.

예시적 구체예에 있어서, 상기 분포-형상 파라미터(α)는 α가 0인 경우에는 모든 약물 담체가 적혈구 세포 코어 영역에 잔류하는 반면, α가 1인 경우에는 모든 약물 담체가 세포-희박 층(CFL) 영역에 잔류하는 것으로 설정된다.In an exemplary embodiment, the distribution-shape parameter (alpha) is such that when alpha is 0, all drug carriers remain in the red blood cell core region, whereas when alpha is 1, all drug carriers are in the cell- CFL) region.

예시적 구체예에 따르면, 상기 임의의 혈관 세그먼트는 루트 혈관(root vessel)으로부터 선택되거나 유래된 세그먼트일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the optional vessel segment may be a segment selected or derived from a root vessel.

본 개시 내용의 제2 면에 따르면, 미세혈관 내 세포 및/또는 약물 전달 효율을 정량화하기 위한 시스템으로서,According to a second aspect of the present disclosure, there is provided a system for quantifying intravascular microcellular cells and / or drug delivery efficiency,

a) (i) 혈관계 중 임의의 혈관 세그먼트를 모사하는 미세유체 채널을 구비하는 미세유체 디바이스, 및 (ii) 상기 미세유체 채널을 통과하는 혈액 및 약물 담체를 포함하는 혈액 혼합물의 혈관 내 흐름 정보를 도출하는 검출 장치가 구비된 생체 외(in vitro) 분석 장치; 및a) a microfluidic device having (i) a microfluidic channel that replicates any of the vascular segments of the vascular system, and (ii) In which the detection device is derived ( in in vitro analysis device; And

b) 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴;b) a microvascular mass transfer simulation tool;

을 포함하며, / RTI >

상기 혈관 내 흐름 정보 및 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴을 이용하여 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물 담체의 농도 분포를 예측하는 시스템이 제공된다.There is provided a system for predicting concentration distributions of cells and / or drug carriers in microvessels and surrounding tissues using the intravascular flow information and a mass transfer simulation tool of microvessels.

예시적 구체예에 따르면, 상기 혈관 내 흐름 정보는 유속(flow rate), 적혈구 용적율(hematocrit) 및 약물 담체(drug carrier)의 농도를 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the intravascular flow information may include a flow rate, a hematocrit, and a concentration of a drug carrier.

예시적 구체예에 따르면, 상기 생체 외 분석 장치는 상기 미세유체 채널 내에서의 세포 및/또는 약물 담체의 단면적 농도 분포에 관한 분포-형상 파라미터(α)를 더 산출할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the ex vivo analyzing apparatus can further calculate a distribution-shape parameter (?) Concerning the cross-sectional area concentration distribution of the cells and / or the drug carrier in the microfluidic channel.

예시적 구체예에 따르면, 상기 시스템은 하기 수학식 20 내지 23에 의하여 표시되는 세포 및 약물 담체에 대한 일반화된(generalized) 플라즈마 스키밍 모델을 기반으로 하되, 상기 산출된 분포-형상 파라미터(α) 및 상기 미세혈관 내 물질 전달 시뮬레이션 툴을 이용하여 특정 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물의 분포를 예측할 수 있다:According to an exemplary embodiment, the system is based on a generalized plasma skimming model for a cell and a drug carrier as represented by the following equations (20) - (23), wherein the calculated distribution-shape parameters The above micro-intravascular mass transfer simulation tool can be used to predict the distribution of cells and / or drugs within specific microvessels and surrounding tissues:

Figure 112016079718553-pat00003
Figure 112016079718553-pat00003

여기서, C는 세포 또는 약물 담체의 농도이고, Q는 유속이며,

Figure 112016079718553-pat00004
은 농도 변화 계수이고, α는 미세혈관 내 C의 단면적 분포에 대한 형상 파라미터이고, M은 드리프트 파라미터(drift parameter)이고, A는 각각의 혈관의 단면적이고, 아래 첨자 0, 1 및 2는 각각 모 혈관(parent vessel) 및 2개의 분지된 혈관(daughter vessels)을 지시하며, 그리고 i는 1 및 2의 정수이다.Where C is the concentration of the cell or drug carrier, Q is the flow rate,
Figure 112016079718553-pat00004
Is the concentration variation coefficient, α is the shape parameter for the cross-sectional area distribution of C microvascular, M is the drift parameter (drift parameter), and, A is and cross-section of each vessel, the subscripts 0, 1, and 2 are each parent A parent vessel and two daughter vessels, and i is an integer of 1 and 2.

본 개시 내용의 구체예에 따라 제공되는 미세혈관 내 세포 및/또는 약물 전달 효율을 정량화하기 위한 시스템 및 방법은 혈관계 내 혈액 흐름의 수학적 또는 시뮬레이션 툴(또는 전산화 모델), 그리고 간단한 혈관 세그먼트를 모사할 수 있는 미세유체 채널을 구비한 생체 외 분석 장치에 의한 실험 결과로부터 얻어진 흐름 정보를 결합함으로써 실질적으로 구현이 곤란한 생체 내( in vivo) 실험을 요하지 않고도 미세혈관 내에서 세포 및/또는 약물의 분포 또는 흐름 특성을 정량화하거나 높은 정확도로 예측할 수 있는 장점을 갖는다. 특히, 개인 별 질환에 따른 맞춤형 약물을 설계할 수 있는 효과적인 가이드라인을 제공할 수 있기 때문에 향후 광범위한 활용이 기대된다.The systems and methods for quantifying the intravascular cells and / or drug delivery efficiencies provided in accordance with embodiments of the present disclosure may be used as a mathematical or simulation tool (or computerized model) of blood flow in the vascular system and to simulate simple vascular segments combining the flow information obtained from the experiment result by the in vitro analysis device with a microfluidic channel that can be substantially vivo (in the implementation is difficult as by vivo assay without quantifying the distribution or flow characteristics of cells and / or drugs in the microvessels. In particular, it can provide effective guidelines for designing customized drugs according to individual diseases, and thus it is expected to be widely used in the future.

도 1은 본 개시 내용의 일 구체예에 따라 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물 담체의 분포를 예측하기 위한 일련의 과정을 도시하는 순서도이고;
도 2a는 본 개시 내용의 예시적인 구체예에 따라 혈액 및 약물 담체를 포함하는 혈액 혼합물에 대한 형광 검출 방식의 생체 외 분석 장치로부터 도출된 혈관 내 흐름 정보 및 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴을 이용하여 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물 담체의 분포를 예측하기 위한 일련의 과정을 도시하는 순서도이고;
도 2b는 본 개시 내용의 예시적인 구체예에 따라 형광 검출 방식의 생체 외 분석 장치의 구성 및 상기 생체 외 분석 장치 내 혈액 혼합물의 흐름의 방향을 개략적으로 도시하는 도면이고;
도 3a 및 도 3b는 각각 도 2에 도시된 생체 외 분석 장치 내에 구비된 미세유체 채널의 예시적인 형상을 도시하는 도면이고;
도 4는 예시적 구체예에 있어서, 생체 외 분석 장치 내에서 형광 검출 방식을 기반으로 하여 미세유체 채널을 통과하는 혈액 혼합물의 흐름을 예시하는 도면이고;
도 5는 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따라 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴을 이용하여 i번째 분지 영역에서 세포 및/또는 약물 담체의 농도를 예측하기 위한 순서도이고;
도 6은 전체 좌표로부터 i번째 분지점에서의 혈관 위치 및 각도를 나타내는 도면이고;
도 7은 제1 내지 제10 분지 수준에서 예시적인 알고리즘에 의하여 생성된 미세혈관의 기하학적 특징을 도시하는 도면이고;
도 8은 i번째 분지 지점에서 1차원 혈액 흐름 모델을 도시하는 도면이고;
도 9는 혈관계 중 분지 부위에서 적혈구 세포의 플라즈마 스키밍 현상을 개략적으로 예시하는 도면이고;
도 10은 본 개시 내용의 일 구체예에 따라, α 값(적혈구 세포(RBCs)와 약물 담체 간의 상대적인 분포 특성을 지시함)에 따른 일반화된 플라즈마 스키밍 모델에 있어서 혈관계 내 적혈구 세포(RBCs) 및 약물 담체의 단면 분포를 도시하는 도면이고;
도 11a는 본 개시 내용의 실시예에 따라 미세유체 채널을 이용하여 형상 파라미터(α) 측정하는 장치의 구성을 보여주는 사진이고; 그리고
도 11b는 본 개시 내용의 실시예에 따라 미세유체 채널을 구비한 장치에 의하여 측정된 형광 신호의 분포를 나타내고;
도 12a는 α=0.2인 경우에 있어서, 모 혈관(parent vessel)으로부터 2개의 혈관(daughter vessels)이 분지되는 단일 분지 부위에서의 적혈구 세포(RBCs) 및 약물 담체의 재분포(redistributions)에 대한 개략적 선도(schematic diagram)를 나타내는 도면이고;
도 12b는 2개의 분지된 미세혈관에서의 적혈구 용적율을 산출하기 위한

Figure 112016079718553-pat00005
곡선이고;
도 12c는 2개의 분지된 미세혈관에서의 약물 담체의 농도를 산출하기 위한
Figure 112016079718553-pat00006
곡선이고;
도 13a는 α=0.8인 경우에 있어서, 모 혈관(parent vessel)로부터 2개의 혈관(daughter vessels)이 분지되는 단일 분지 부위에서의 적혈구 세포(RBCs) 및 약물 담체의 재분포(redistributions)에 대한 개략적 선도를 나타내는 도면이고;
도 13b는 2개의 분지된 미세혈관에서의 적혈구 용적율을 산출하기 위한
Figure 112016079718553-pat00007
곡선이고;
도 13c는 2개의 분지된 미세혈관에서의 약물 담체의 농도를 산출하기 위한
Figure 112016079718553-pat00008
곡선이고;
도 14a는 단일 분지 모델에 있어서 분지 부위에서 약물 담체의 재분포에 대한 형상 파라미터(α)의 영향을 나타내는 그래프이고;
도 14b는 단일 분지 모델에 있어서 α=0.2인 경우에 분지 부위에서 약물 담체의 재분포에 대한 드리프트 파라미터(M)의 영향을 나타내는 그래프이고;
도 15는 예시적인 미세혈관 내 전달(transport) 모델에 있어서, 혈관 직경에 따른 적혈구 용적율의 분포 및 혈액 유속을 나타내는 그래프이고;
도 16은 생체 외 실험을 통하여 측정된 형상 파라미터(α) 값을 혈액 흐름 시뮬레이션 툴에 적용하여 도출된 미세혈관 및 주변조직 내에서의 세포 및/또는 약물 담체의 전달 효율의 측정 결과를 나타내는 도면이고;
도 17a 내지 도 17c 각각은 3개의 α 값(α=0.2, α=0.5 및 α=0.8)에 대하여 수학식 5 내지 8에 의하여 산출된 미세혈관 내 약물 담체의 분포를 나타내는 그래프이고;
도 18은 미세혈관계에 있어서 α 값의 변화에 따른 약물 담체의 농도 변화를 나타내는 그래프(루트 혈관 내 약물 담체의 초기 농도는 거대순환계(macrocirculation)에서의 초기 농도와 동일한 것으로 가정함)이고; 그리고
도 19a 내지 도 19c 각각은 3개의 α 값(α=0.2, α=0.5 및 α=0.8)에 대하여 미세혈관계 내 혈관 직경 및 적혈구 용적율과 함께 약물 담체의 농도(체적 분율)를 나타내는 그래프이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a flow chart illustrating a series of procedures for predicting the distribution of cells and / or drug carriers in microvessels and surrounding tissues according to one embodiment of the present disclosure;
Figure 2a is a graphical representation of the effect of the intravascular flow information and microvascular mass transfer simulation tool derived from an in-vitro fluorescence detection device on a blood mixture comprising blood and a drug carrier according to an exemplary embodiment of the present disclosure FIG. 3 is a flow chart showing a series of procedures for predicting the distribution of cells and / or drug carriers in microvessels and surrounding tissues; FIG.
FIG. 2B is a view schematically showing the configuration of the fluorescence detection type in-vitro analyzing apparatus and the direction of the flow of blood mixture in the in-vitro analyzing apparatus according to an exemplary embodiment of the present disclosure; FIG.
FIGS. 3A and 3B are views showing an exemplary shape of a microfluidic channel provided in the in vitro analyzing apparatus shown in FIG. 2, respectively;
4 is a diagram illustrating, in an exemplary embodiment, a flow of a blood mixture through a microfluidic channel based on a fluorescence detection scheme in an ex vivo analyzer;
Figure 5 is a flow chart for predicting the concentration of cells and / or drug carrier in the i- th branch area using a microvessel mass transfer simulation tool in accordance with an illustrative embodiment of the present disclosure;
6 is a view showing a position and an angle of the blood vessel at the i- th minute from the entire coordinates;
Figure 7 is a diagram showing the geometric characteristics of microvessels generated by the exemplary algorithm at the first to tenth branch levels;
8 is a diagram showing a one-dimensional blood flow model at the i- th branch point;
9 is a view schematically illustrating a plasma skimming phenomenon of red blood cells at a branching site in the vascular system;
FIG. 10 is a graph illustrating the relationship between intracellular red blood cell (RBCs) and drug (s) in a generalized plasma skimming model according to the alpha value (indicating the relative distribution characteristics between red blood cells (RBCs) and drug carriers) Sectional profile of the carrier; Fig.
11A is a photograph showing a configuration of an apparatus for measuring a shape parameter (?) Using a microfluidic channel according to an embodiment of the present disclosure; And
11B shows a distribution of the fluorescence signal measured by a device having a microfluidic channel according to an embodiment of the present disclosure;
Figure 12a is a schematic representation of red blood cells (RBCs) and redistributions of drug carriers at a single branch site where daughter vessels are branched from the parent vessel in the case of alpha = 0.2. 1 is a diagram showing a schematic diagram;
FIG. 12B is a graph for calculating the hematocrit ratio in two branched microvessels
Figure 112016079718553-pat00005
A curve;
FIG. 12C is a graph showing the concentration of the drug carrier in two branched microvessels
Figure 112016079718553-pat00006
A curve;
13A is a schematic diagram of red blood cells (RBCs) and redistributions of drug carriers at a single branch site where daughter vessels are branched from parent vessels at a = 0.8. Fig.
13B is a graph showing the relationship between the hematocrit
Figure 112016079718553-pat00007
A curve;
13C is a graph showing the concentration of drug carrier in two branched microvessels
Figure 112016079718553-pat00008
A curve;
14A is a graph showing the effect of the shape parameter? On the redistribution of the drug carrier at the branch site in a single branching model;
14B is a graph showing the influence of the drift parameter ( M ) on the redistribution of the drug carrier at the branch site when? = 0.2 in a single branching model;
15 is a graph showing the distribution of hematocrit and the blood flow rate according to the blood vessel diameter, in an exemplary microvascular transport model;
FIG. 16 is a graph showing the measurement results of the delivery efficiency of cells and / or drug carriers in the microvessels and surrounding tissues derived by applying the shape parameter (?) Values measured through in vitro experiments to the blood flow simulation tool ;
17A to 17C are graphs showing the distribution of drug carriers in the microvascular system calculated by Equations 5 to 8 for three alpha values (alpha = 0.2, alpha = 0.5 and alpha = 0.8);
18 is a graph showing the change in the concentration of the drug carrier according to the change of the alpha value in the microvessel system (assuming that the initial concentration of the drug carrier in the root vessel is equal to the initial concentration in the macrocirculation); And
19A to 19C are graphs showing the concentration (volume fraction) of the drug carrier together with the blood vessel diameter and the hematocrit in the microvessel system for three alpha values (alpha = 0.2, alpha = 0.5 and alpha = 0.8).

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The present invention can be all accomplished by the following description. The following description should be understood to describe preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not necessarily limited thereto.

또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위하여 실제 층의 두께(또는 높이) 또는 다른 층과의 비율에 비하여 다소 과장되게 표현된 것일 수 있으며, 그 의미는 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.The accompanying drawings may be exaggeratedly expressed relative to the actual layer thickness (or height) or the ratio with respect to other layers in order to facilitate understanding, and the meaning thereof may be appropriately understood according to the concrete purpose of the related description to be described later .

본 명세서에서 사용되는 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.The terms used in this specification can be defined as follows.

"나노사이즈" 또는 "나노스케일"은 통상적으로 적어도 1 nm, 구체적으로 1 내지 100 nm 범위로 정의될 수 있다.&Quot; Nano-size " or " nanoscale " may typically be defined as at least 1 nm, specifically in the range of 1 to 100 nm.

"플라즈마 스키밍"은 일반적으로 혈관 트리(vascular tree) 중 혈관의 분지 부위에서 적혈구 세포가 플라즈마(혈장)로부터 자연적으로 분리되어 혈액이 상대적으로 농축된 흐름 및 상대적으로 희석된 흐름으로 분할되는 현상을 의미한다. &Quot; Plasma skimming " refers generally to the phenomenon that red blood cells are naturally separated from the plasma (plasma) at the branching portion of the blood vessel in the vascular tree and the blood is divided into a relatively concentrated flow and a relatively diluted flow do.

"적혈구 용적율(hematocrit)"는 별도의 언급이 없는 한, 전체 혈액 중에서 적혈구가 차지하는 체적 비로 이해될 수 있다.&Quot; Hematocrit " can be understood as a volume ratio of erythrocytes in the whole blood, unless otherwise stated.

"약물 담체"는 약물을 로딩(loading)하여 특정 장기, 기관, 조직 등으로 운반할 수 있는 임의의 구조물 또는 수단을 의미할 수 있으며, 전형적으로 나노입자 또는 마이크로입자일 수 있다.&Quot; Drug carrier " may mean any structure or means capable of loading the drug and transporting it to a particular organ, organ, tissue, etc., and may typically be nanoparticles or microparticles.

"나노사이즈의 약물 담체"는 전형적으로 약 1 내지 100 nm, 보다 전형적으로 약 10 내지 50 nm 범위의 입자 사이즈를 갖는 물질일 수 있다.The " nanosized drug carrier " may typically be a material having a particle size in the range of about 1 to 100 nm, more typically about 10 to 50 nm.

"형광(fluorescence)"은 전자기적 여기에 의하여 짧은 시간 동안 생성되는 발광 타입을 의미할 수 있다. 즉, 형광은 특정 물질이 짧은 파장에서 광 에너지를 흡수한 후에 보다 긴 파장에서 광 에너지를 방출할 때 생성되는 현상을 의미한다. 예시적으로, 흡수와 방출 간의 시간 길이는 통상적으로 비교적 짧은데, 예를 들면 약 10-9 내지 10-8 초 수준일 수 있다.&Quot; Fluorescence " may mean a type of luminescence generated by electromagnetic excitation for a short time. That is, fluorescence means a phenomenon that occurs when a specific substance absorbs light energy at a short wavelength and then emits light energy at a longer wavelength. Illustratively, the length of time between absorption and release is typically relatively short, e.g., about 10 -9 to 10 -8 seconds.

"형광 프로브"는 통상적으로 자외선-가시광-근적외선 영역 내에서 특성 형광을 제공하는 임의의 물질(염료, 분자, 화합물 등을 포함함)을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들면, 형광체(fluorophore)와 착체 결합된 프로브를 의미할 수 있다.&Quot; Fluorescent probe " can be understood to mean any material (including dyes, molecules, compounds, etc.) that provides characteristic fluorescence in the ultraviolet-visible-near-infrared region. For example, it may refer to a probe complex-bonded with a fluorophore.

A. 미세혈관 내 세포 및/또는 약물 전달 효율의 정량화 시스템 및 방법의 개요A. Overview of systems and methods for quantifying intravascular microcellular cells and / or drug delivery efficiencies

도 1은 본 개시 내용의 일 구체예에 따라 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물 담체의 분포를 예측하기 위한 일련의 과정을 도시한다.Figure 1 illustrates a series of procedures for predicting the distribution of cells and / or drug carriers in microvessels and surrounding tissues according to one embodiment of the present disclosure.

상기 도시된 바에 따르면, 예측 시스템은 생체 외 분석 장치를 통하여 도출된 혈관 내 흐름 정보를 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴에 적용함으로써 동물, 구체적으로 인체 내의 특정 부위에서의 세포 및/또는 약물, 특히 약물의 농도(또는 농도 분포)를 예측할 수 있는 방안을 제시한다. 즉, 본 개시 내용에 따르면, 혈관계(미세혈관계) 내 혈액 흐름에 대한 시뮬레이션 툴 및 간단한 혈관 세그먼트를 모사하는 미세유체 디바이스에 의한 생체 외(in vitro) 실험 결과로부터 얻어진 데이터를 이용하여 실질적으로 구현이 곤란한 생체 내( in vivo) 실험을 요하지 않고도 미세혈관 내에서 세포 및/또는 약물(또는 약물 담체)의 분포 또는 흐름 특성을 예측할 수 있는 것이다.As shown above, the prediction system can be applied to an animal, specifically, a cell and / or a drug in a specific region in the human body, particularly a drug in a specific region of the human body by applying the intravascular flow information derived through the in- (Or concentration distribution) of the sample. That is, according to the present disclosure, vascular system (microvasculature) in vitro by the microfluidic device to simulate a simulation tool, and a simple blood vessel segment for the blood flow (in vitro) in vivo (in using the data obtained from the experimental results difficult to practically implement the or drug (or drug carrier) distribution or flow characteristics in the microvessels without the need for vivo experiments.

이와 관련하여, 생체 외 분석 장치는 크게 (i) 혈관계 중 임의의 혈관 세그먼트를 모사하는 미세유체 채널을 구비하는 미세유체 디바이스, 그리고 (ii) 미세유체 채널을 통과하는 혈관 내 흐름 정보를 도출하는 검출 장치를 포함한다. 이때, 흐름 정보는 혈액 혼합물의 유속, 적혈구 용적율 및 약물 담체의 농도를 포함할 수 있다. In this regard, the in vitro analyzer device comprises a microfluidic device having (i) a microfluidic channel that replicates any of the vascular segments of the vasculature, and (ii) a microfluidic device Device. At this time, the flow information may include the flow rate of the blood mixture, the hematocrit and the concentration of the drug carrier.

상술한 순서도에 있어서, 단계 10에서는 미세유체 채널에 도입 또는 주입되는 혈액 혼합물을 제조하는데, 혈액 및 약물 담체를 함유할 수 있다. 이와 관련하여, 혈액은 크게 적혈구 세포(Red Blood Cells; RBC) 및 플라즈마(혈장)을 포함한다. In the above-described flowchart, step 10 may contain blood and a drug carrier to produce a blood mixture to be introduced or injected into the microfluidic channel. In this regard, blood contains largely Red Blood Cells (RBC) and plasma (plasma).

또한, 혈액 혼합물은 혈관 내 흐름 정보를 도출하는 방식에 따라 추가적인 성분을 함유할 수 있는 바, 이하에서 예시되는 바와 같이 형광 검출을 이용할 경우에는 형광 물질 또는 형광 프로브를 함유할 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 이러한 형광 물질 또는 형광 프로브는 물리적으로 구분되는 단독의 형태를 갖기보다는 약물 담체와 공유적 또는 비공유적으로 결합 또는 고정된 형태로 존재할 수 있다. In addition, the blood mixture may contain additional components depending on the manner in which the intravascular flow information is derived, and may contain fluorescent substances or fluorescent probes when using fluorescence detection as exemplified below. According to exemplary embodiments, such a fluorescent substance or fluorescent probe may exist in a form that is covalently or non-covalently bonded to or immobilized with a drug carrier rather than having a physically distinct single form.

단계 20에서는 혈액 혼합물을 혈관계 중 임의의 혈관 세그먼트를 모사하는 미세유체 채널을 구비하는 미세유체 디바이스에 주입하여 유동시킨다. 이때, 모사 대상인 혈관 세그먼트로서 생체 내부의 매크로혈관 및 미세혈관 중 특정 부위로 한정되지 않고 임의의 혈관 부위를 선택할 수 있다. 다만, 혈관 내 흐름 정보의 도출 또는 측정 용이성을 고려할 때, 루트(root) 혈관과 같이 비교적 직경이 크고, 분지(bifurcation) 정도가 낮은 혈관을 대상으로 하는 것이 유리할 수 있다. 상기 미세유체 채널의 폭 또는 직경은, 예를 들면 약 1 내지 100 ㎛, 구체적으로 약 20 내지 80 ㎛, 보다 구체적으로 약 40 내지 60 ㎛ 범위일 수 있는 바, 상기 수치 범위는 예시적인 것으로 이해되어야 한다. In step 20, the blood mixture is injected into a microfluidic device having a microfluidic channel that simulates any of the vascular segments of the vasculature and flows. At this time, as a blood vessel segment to be simulated, an arbitrary blood vessel region can be selected without being limited to a specific part of a macro blood vessel and a micro blood vessel inside a living body. However, considering the ease of derivation or measurement of intravascular flow information, it may be advantageous to target vessels with relatively large diameter and low degree of bifurcation, such as root vessels. The width or diameter of the microfluidic channel may range, for example, from about 1 to about 100 micrometers, specifically from about 20 to about 80 micrometers, and more specifically from about 40 to about 60 micrometers, do.

예시적 구체예에 따르면, 혈액 혼합물 내 약물 담체의 함량이 지나치게 높거나 낮은 경우에는 약물 담체의 움직임을 정확하게 분석하기 어려운 문제점이 유발될 수 있는 만큼, 예시적인 혈액 혼합물은 혈액 약 70 내지 99.99 체적%(구체적으로 약 80 내지 99.95 체적%, 보다 구체적으로 약 90 내지 99.9 체적%) 및 약물 담체 약 0.01 내지 30 체적%(구체적으로 약 0.05 내지 20 체적%, 보다 구체적으로 약 0.1 내지 10 체적%)를 포함할 수 있다.According to exemplary embodiments, an exemplary blood mixture may contain about 70 to 99.99% by volume of blood, as the amount of the drug carrier in the blood mixture may be too high or too low to cause a difficulty in accurately analyzing the movement of the drug carrier. (Specifically about 80 to 99.95% by volume, more specifically about 90 to 99.9% by volume) and about 0.01 to 30% by volume (specifically about 0.05 to 20% by volume, more specifically about 0.1 to 10% .

한편, 약물 담체는, 생체적합성(biocompatible)을 갖는 약물 담체로서 당업계에서 알려진 종류를 사용할 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 이러한 약물 담체는 나노사이즈를 가질 수 있는 바, 예를 들면 약 50 nm 이하, 보다 구체적으로 약 30 nm 이하, 보다 구체적으로 약 10 nm 이하의 직경을 갖는 나노입자 형태일 수 있다. On the other hand, the drug carrier may be a biocompatible drug carrier known in the art. According to an exemplary embodiment, such a drug carrier may have nanosize, for example a nanoparticle form having a diameter of about 50 nm or less, more specifically about 30 nm or less, more specifically about 10 nm or less .

예시적 구체예에 따르면, 무기계 담체로서 실리카계 나노입자, 구체적으로 중다공성 실리카(mesoporous silica) 나노입자, 코어-쉘 구조를 갖는 실리카계 나노입자, 산화 철 계열 나노입자, 금 나노입자, II족-VI족 나노입자(구체적으로, CdTe, CdSe 등), 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 또한, 유기계 담체의 경우, 탄소계 나노입자(예를 들면, 탄소나노튜브, 플러린, 그래핀 등), 고분자계 나노입자(예를 들면, 키토산, Polyethyleneimine (PEI), Poly(L-lysine) (PLL), PEG?oly(amino acid), PEG?olyester, PEG?ipid및 Polysaccharides) 및 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. According to an exemplary embodiment, silica-based nanoparticles, specifically, mesoporous silica nanoparticles, silica-based nanoparticles having a core-shell structure, iron oxide-based nanoparticles, gold nanoparticles, Group II -V group nanoparticles (specifically, CdTe, CdSe, etc.), and combinations thereof. In addition, in the case of organic carriers, carbon nanoparticles (e.g., carbon nanotubes, fullerene, and graphene), polymer nanoparticles (e.g., chitosan, polyethyleneimine (PEI), poly (L- (PLL), PEG? Oly (amino acid), PEG? Olyester, PEG? Ipid and Polysaccharides) and combinations thereof.

예시적 구체예에 따르면, 약물 담체는 전형적으로 구형이나, 이에 한정됨이 없이 다양한 3차원 형상을 나타낼 수 있다. 또한, 선택적으로 약물 담체의 표면에 친수성 또는 소수성을 부여할 수 있는데, 이를 위하여 표면 처리하여 기능성 나노입자 형태로 사용할 수 있다. According to an exemplary embodiment, the drug carrier is typically spherical, but may exhibit various three-dimensional shapes, including without limitation. In addition, the surface of the drug carrier may be selectively hydrophilized or hydrophobically imparted to the surface of the drug carrier.

예시적 구체예에 따르면, 약물 담체는 양이온 또는 음이온과 같은 전기적 특성을 나타낼 수 있다. According to an exemplary embodiment, the drug carrier may exhibit electrical properties such as a cation or anion.

이외에도, 약물 담체는 강성 또는 변형 가능한 특성을 나타낼 수 있는 바, 경우에 따라서는 적혈구 및 백혈구 같은 세포를 변형하여 사용할 수도 있으며, 또한 지질-2중층(Lipid-bilayer)을 이용한 인공 세포 및/또는 이온 채널을 사용할 수도 있다. In addition, the drug carrier may exhibit stiffness or deformability, and in some cases cells such as erythrocytes and leukocytes may be modified, and artificial cells and / or ions using a lipid-bilayer may be used. You can also use channels.

상술한 바와 같이, 미세유체 디바이스로 혈액 혼합물을 주입하고, 미세유체 채널을 통과시키도록 함에 따라 유속, 적혈구 용적율(hematocrit) 및 약물 담체의 농도를 포함하는 흐름 정보를 측정할 수 있다. 이러한 흐름 정보는 후술하는 바와 같이 혈관 전달 시뮬레이션 툴에 의한 프로세싱을 위하여 초기에 적용(대입)되는 정보로 사용 가능하다. As described above, flow information including flow rate, hematocrit, and drug carrier concentration can be measured as the blood mixture is injected into the microfluidic device and allowed to pass through the microfluidic channel. Such flow information can be used as information to be initially applied (processed) for processing by a vessel delivery simulation tool as described later.

또한, 혈액 혼합물 내 적혈구 세포(RBC), 플라즈마(혈장) 및 약물 담체는, 예를 들면 미세유체 채널의 단면, 구체적으로 길이 방향 단면에서 관찰 시 특이적 분포 패턴을 나타내는데, 이로부터 모사되는 혈관 세그먼트의 분포-형상 파라미터(α)를 산출할 수 있다. 상기 형상 파라미터(α)는 혈관 세그먼트가 모사되는 미세유체 채널을 혈액 혼합물이 유동하면서(흐르면서) 통과하는 동안, 미세유체 채널의 일 영역(보다 구체적으로는 중간 영역)에서 약물 담체의 농도 분포를 정량적으로 측정하여 결정할 수 있으며, 이 역시 생체 외 분석 실험을 통하여 구하고자 하는 흐름 정보에 포함될 수 있다. In addition, the red blood cells (RBC), the plasma (plasma) and the drug carrier in the blood mixture exhibit, for example, a specific distribution pattern in the cross section of the microfluidic channel, specifically in the longitudinal cross section, The shape-parameter? Of the distribution-shape parameter? The shape parameter alpha is used to determine the concentration distribution of the drug carrier in one region (more specifically, the middle region) of the microfluidic channel while the blood mixture passes (flows) through the microfluidic channel simulating the vascular segment , Which can also be included in the flow information to be obtained through an in vitro analysis experiment.

이후, 단계 40에서는 전술한 생체 외 분석 장치로부터 도출된 흐름 정보를 혈관 전달 시뮬레이션 툴에 적용(또는 대입)하고, 단계 50에서는 혈관계 중 임의의 혈관 부위 또는 위치에서 세포 및/또는 약물 담체의 분포(구체적으로 농도)를 예측한다.Thereafter, at step 40, the flow information derived from the above-described in-vitro analyzing apparatus is applied (or substituted) to the vascular transportation simulation tool. At step 50, distribution of cells and / or drug carriers Specifically the concentration).

도 2a는 본 개시 내용의 예시적인 구체예에 따라 형광 검출 방식의 생체 외 분석 장치로부터 도출된 혈관 내 흐름 정보 및 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴을 이용하여 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물 담체의 분포를 예측하기 위한 일련의 과정을 도시한다.FIG. 2A is a flow chart illustrating a method of simulating mass transfer of microvessels and intravascular flow information derived from an in vitro analyzer of a fluorescence detection system according to an exemplary embodiment of the present disclosure, A series of processes for predicting the distribution of carriers is shown.

상기 도면에 있어서, 단계 100, 단계 110, 단계 140 및 단계 150은 도 1과 관련하여 설명한 바와 같다. 다만, 도 1의 단계 30에서 혈관 내 흐름 정보를 도출하기 위하여 형광 현미경을 이용하여 혈액 혼합물의 약물 담체와 결합된 형광 물질 또는 형광 프로브에 기인하는 형광 특성을 검출하는 단계(단계 120)를 수행하고, 이와 함께 또는 이를 근거로 혈관 내 흐름 정보 중 하나로서, 형광 물질 또는 프로브를 사용할 경우에는 이미지 프로세싱을 통하여 형상 파라미터(α)를 용이하게 구할 수 있다(단계 130).In this figure, step 100, step 110, step 140 and step 150 are as described in connection with Fig. However, in order to derive the intravascular flow information in step 30 of FIG. 1, the step of detecting the fluorescence characteristic due to the fluorescent substance or the fluorescent probe combined with the drug carrier of the blood mixture using the fluorescence microscope (step 120) is performed (Step 130), if the fluorescence material or the probe is used as one of the intravascular flow information together with or based thereon, the shape parameter alpha can be easily obtained through image processing.

예시적 구체예에 따르면, 약물 담체의 표면에 형광 물질 또는 형광 프로브가 표지된 형태로 존재할 수 있다. 이러한 형광 물질 또는 형광 프로브의 예로서 엄벨리페론(umbelliferone), 플루오레신(fluorescein), 플루오레신이소티오시아네이트(fluorescein isothiocyanate; FITC), 로다민(rhodamine), 탐라(TAMRA), 디클로로트리아지닐아민플루오레신(dichlorotriazinylamine fluorescein), 단실클로라이드(dansyl chloride), 양자점(quantum dots), 피코에리스린(phycoerythrin), FAM(fluorecein amidite) 등을 포함하는 플루오세인계(fluorescein), 알렉사 플로어계(alexa fluor) 및 Cy3, Cy5, Cy5.5, Cy7, 인도시아닌그린을 포함하는 시아닌계(cyanine) 등의 형광 물질 등을 들 수 있으며, 이중 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 다만, 본 발명이 상기 예시된 형광 물질 또는 프로브로 한정되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 형광 물질은 특정 파장의 광에 의하여 여기된 후, 또 다른 파장의 광을 방출하여 잉여 에너지를 배출하는 바, FITC와 같은 형광 물질은 550 nm 파장의 광을 방출한다. According to an exemplary embodiment, a fluorescent substance or fluorescent probe may be present in a labeled form on the surface of the drug carrier. Examples of such fluorescent substances or fluorescent probes include umbelliferone, fluorescein, fluorescein isothiocyanate (FITC), rhodamine, TAMRA, Fluorescein, Alexa floor system (including fluorescein) including dichlorotriazinylamine fluorescein, dansyl chloride, quantum dots, phycoerythrin, and fluorecein amidite (FAM) alexa fluorine, and fluorescent materials such as cyanine including Cy3, Cy5, Cy5.5, Cy7, and indocyanine green, and one or more of them may be used. However, the present invention is not limited to the above-exemplified fluorescent substance or probe. In this regard, the fluorescent material is excited by light of a specific wavelength, and then emits light of another wavelength to emit surplus energy. Thus, a fluorescent material such as FITC emits light of a wavelength of 550 nm.

이러한 형광 물질 또는 프로브는 약물 담체의 표면 상에서 약물 담체와 공유적 또는 비공유적으로 결합 또는 고정(코팅)된 형태로 존재할 수 있는 바, 예를 들면 코팅, 도핑, 링커를 통한 결합 또는 착체 결합을 통하여 약물 담체 상에 고정될 수 있다. 따라서, 생체 외 실험 중 형광의 검출 및 분석을 통하여 약물 담체의 분포 특성을 확인하여 분석할 수 있는 것이다. Such a fluorescent substance or probe may be present in the form of a covalent or non-covalent bond or fixed (coated) form with the drug carrier on the surface of the drug carrier, for example, through coating, doping, Can be immobilized on the drug carrier. Therefore, the distribution characteristics of the drug carrier can be confirmed and analyzed through the detection and analysis of fluorescence during in vitro experiments.

한편, 상술한 형광 물질 또는 형광 프로브로부터 기인하는 형광을 검출하기 위하여, 다양한 형광 검출 장치, 예를 들면 공초점 레이저 현미경, 형광 실물 현미경 등을 사용할 수 있는 바, 구체적으로 광학 이미징 장치, 보다 구체적으로 형광 현미경을 사용할 수 있다. 형광 현미경은 기본적으로 필터 및 다이크로익 빔 스플리터(dichroic beam splitter)를 이용하는 바, 형광 여기광이 이미징을 위한 형광 시그널을 수집하는 동일 대물 렌즈(objective lens)를 통과하도록 하여 검출 대상을 조사하고, 파장에 따라 광을 투과하거나 반사하는 빔 스플리터를 이용하여 형광으로부터 여기광을 분리한다. 이때, 보다 짧은 파장의 여기광은 반사되는 반면, 보다 긴 파장의 방출광은 스플리터를 투과하게 되고, 상기 투과된 방출광을 검출한다. 따라서, 혈액 혼합물이 통과하는 미세유체 채널의 일 영역에서의 형광을 검출하여 단면 기준으로 약물 담체의 분포를 확인할 수 있고, 이로부터 형상 파라미터(α)를 결정할 수 있다. On the other hand, various fluorescence detection devices such as a confocal laser microscope, a fluorescence real microscope and the like can be used for detecting fluorescence originating from the above-mentioned fluorescent substance or fluorescence probe, and specifically, an optical imaging device, more specifically, Fluorescence microscopy can be used. The fluorescence microscope basically uses a filter and a dichroic beam splitter. The fluorescence excitation light is passed through the same objective lens for collecting the fluorescence signal for imaging, The excitation light is separated from the fluorescence by using a beam splitter which transmits or reflects light according to the wavelength. At this time, a shorter wavelength excitation light is reflected, while a longer wavelength emission light is transmitted through the splitter, and the transmitted emission light is detected. Accordingly, the fluorescence in one region of the microfluidic channel through which the blood mixture passes can be detected to confirm the distribution of the drug carrier on a cross-sectional basis, from which the shape parameter? Can be determined.

도 2b는 형광 검출 방식의 생체 외 분석 장치의 예시적인 구성 및 상기 생체 외 분석 장치 내 혈액 혼합물의 흐름의 방향을 개략적으로 도시한다.Fig. 2b schematically shows an exemplary configuration of the fluorescence detection type in-vitro analyzing apparatus and a direction of the flow of the blood mixture in the ex-vivo analyzing apparatus.

도시된 구체예에 있어서, 임의의 혈관 세그먼트를 모사한 미세유체 채널이 구비된 생체 외 분석 장치(200)가 도시되어 있다. 혈액 혼합물(혈액, 약물 담체 및 형광 물질(프로브)를 함유함; 201)은 시린지 펌프(202)를 통하여 미세유체 디바이스(204)의 미세유체 채널(206) 내로 주입되는데, 이를 위하여 혈액 주입부는 튜브(203)를 경유하여 미세유체 채널(206)의 주입구(205)와 연통된다. In the illustrated embodiment, an ex vivo analyzer 200 is shown with a microfluidic channel that simulates any vessel segment. A blood mixture (containing blood, a drug carrier and a fluorophore (probe) 201) is injected through the syringe pump 202 into the microfluidic channel 206 of the microfluidic device 204, And communicates with the injection port 205 of the microfluidic channel 206 via the passage 203.

시린지 펌프(202)의 주입 압력은 미세유체 채널(206) 내에서 혈액 혼합물의 유속이, 예를 들면 약 0.1 내지 10 mm/s, 구체적으로 약 0.5 내지 5 mm/s, 보다 구체적으로 약 1 내지 2 mm/s 범위가 되도록 조절할 수 있다. 이와 같이 미세유체 채널(206) 내로 도입되어 유동하는 혈액 혼합물(201)은 배출구(207)를 통하여 배출되고 샘플 수집관(208)에서 수집된다. 이때, 미세유체 채널(206)의 일 영역 위에는 형광 현미경(209)이 위치하여 미세유체 채널(206)을 통과하는 혈액 혼합물의 형광 특성을 검출하게 된다.The injection pressure of the syringe pump 202 is such that the flow rate of the blood mixture within the microfluidic channel 206 is maintained between about 0.1 and 10 mm / s, specifically between about 0.5 and 5 mm / s, 2 mm / s. The blood mixture 201 introduced into and flowing into the microfluidic channel 206 is discharged through the discharge port 207 and collected in the sample collection tube 208. At this time, a fluorescent microscope 209 is positioned on one region of the microfluidic channel 206 to detect the fluorescence characteristic of the blood mixture passing through the microfluidic channel 206.

이와 관련하여. 미세유체 채널(206)은 실험이 용이한 혈관을 모사하는 것이 유리할 수 있는 바, 예를 들면 혈관계에서 직경이 큰 루트 혈관(root vessel)을 모사한 것일 수 있으며, 이러한 미세유체 디바이스(204)는 당업계에서 공지된 방법을 통하여 제작될 수 있다.In this regard. The microfluidic channel 206 may be advantageous for simulating blood vessels that are easy to test, for example, a root vessel having a large diameter in the vascular system may be simulated. And can be produced through a method known in the art.

예시적 구체예에서는 혈액 혼합물(201)의 주입구(205) 및 배출구(207) 각각은, 예를 들면 기계적 천공, 레이저 천공, 화학적 에칭, 플라즈마 식각 등과 같이 당업계에서 공지된 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 경우에 따라서는 디바이스 제작용 기판 제조시 주입구 및 배출구가 일체적으로 형성(예를 들면, 사출 성형)된 기판을 사용할 수도 있다.In an exemplary embodiment, each of the inlet 205 and outlet 207 of the blood mixture 201 is formed using methods known in the art such as, for example, mechanical perforation, laser perforation, chemical etching, plasma etching, . In some cases, a substrate in which an injection port and a discharge port are integrally formed (for example, injection molded) when manufacturing a substrate for device fabrication may be used.

특정 구체예에 있어서, 당업계에서 공지된 방법(예를 들면, 포토리소그래피, 소프트리소그래피, 임프린트 리소그래피 등)을 통하여 미세유체 채널(206)을 구비한 미세유체 디바이스(204)를 제작할 수 있다. In certain embodiments, a microfluidic device 204 with microfluidic channels 206 may be fabricated through methods known in the art (e.g., photolithography, soft lithography, imprint lithography, etc.).

예를 들면, 주형용 기판(구체적으로, 글래스, 투명 플라스틱, 실리콘 웨이퍼 등) 상에 예를 들면 스핀 코팅과 같은 고분자 코팅법에 의하여 포토레지스트 층(예를 들면, SU-8와 같은 에폭시계 네거티브 포토레지스트)을 형성한 다음, 선택적 제거 과정(패턴화 과정)을 거친다. 이후, 패턴화된 포토레지스트 층/주형용 기판의 구조물을 주형(template)으로 사용한 몰드 내로, 예를 들면 액상 고분자(예를 들면, PDMS 제조용 성형 원료)를 부은 다음, 바람직하게는 진공을 가하여 기포를 모두 제거하고 냉각시킨 후에 이를 분리하여 패턴화된 고분자 층을 형성할 수 있으며, 이를 디바이스 제작에 사용할 수 있다. 이와 별도로, 상부 기판에서와 동일한 제작 방법에 의하여 상부 기판에 대응하는 하부 기판을 제작하고, 2개의 기판(상부 기판 및 하부 기판)을 결합(접합)하면 원하는 패턴의 미세채널(유로)이 형성된 미세유체 디바이스를 제작할 수 있다. 이때, 상부 기판 및 하부 기판의 결합(접합)을 위하여, 상부 기판과 하부 기판을 열로 이용하여 융착하는 열 융착법, 초음파를 이용한 융착법, 코로나 방전 또는 플라즈마를 이용하여 결합하는 방법 등을 이용할 수 있다. For example, a photoresist layer (for example, an epoxy-based negative electrode such as SU-8) may be formed on a substrate for a mold (specifically, glass, transparent plastic, silicon wafer or the like) by a polymer coating method such as spin coating, Photoresist) is formed, followed by a selective removal process (patterning process). Then, for example, a liquid polymer (for example, a forming material for producing PDMS) is poured into a mold using a patterned photoresist layer / substrate for a mold substrate as a template, Is removed, cooled, and then separated to form a patterned polymer layer, which can be used for device fabrication. Separately, a lower substrate corresponding to the upper substrate is manufactured by the same manufacturing method as that of the upper substrate, and two substrates (upper substrate and lower substrate) are bonded (bonded) to form fine channels A fluid device can be manufactured. In order to join (join) the upper substrate and the lower substrate, a heat fusion method in which the upper substrate and the lower substrate are fused by heat, a fusion method using ultrasonic waves, a corona discharge or a plasma bonding method may be used have.

미세유체 채널을 구비한 미세유체 디바이스(특히, 미세유체 채널)는 최대한 혈관 특성과 근사한 재질 특성을 갖도록 제작하는 것이 바람직한데, 예를 들면 산소 투과성이면서 세포에 대한 독성이 없어야 하며, 미세유체 채널의 치수를 정확하게 튜닝할 수 있는 재질로부터 선정하는 것이 유리할 수 있다. 예시적으로, 폴리에스테르(구체적으로, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리스틸렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리우레탄, 폴리비닐리덴플루오라이드, 나일론, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리비닐클로라이드(PVC), 사이클릭올레핀 공중합체(COC), 액정 고분자(LCP), 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리(페닐렌 에테르) (PPE), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리에테르 설폰(PES), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 아크릴 계통의 수지, 실리콘 계열 폴리머인 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 이들의 조합 등을 고려할 수 있다. 다만, 마이크로채널 제작의 용이성을 고려할 때, 폴리디메틸실록산(PDMS)을 사용하는 것이 유리할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. It is preferable that the microfluidic device having a microfluidic channel (particularly, a microfluidic channel) is manufactured to have a material characteristic as close as possible to a blood vessel characteristic, for example, oxygen permeable and not toxic to cells, It may be advantageous to select from materials that can precisely tune the dimensions. Illustratively, it is possible to use polyesters (specifically polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyimide (PI), polystyrene (PS), polycarbonate (PM), polyvinyl chloride (PVC), cyclic olefin copolymer (COC), liquid crystal polymer (LCP), polyamide (PA), polyimide (PI) (PES), polyoxymethylene (POM), polyetheretherketone (PEEK), polyethersulfone (PES), polytetrafluoroethylene (PTFE), acrylic resins, Polydimethylsiloxane (PDMS), combinations thereof, and the like can be considered. However, considering the ease of microchannel fabrication, it may be advantageous to use polydimethylsiloxane (PDMS), but not always limited thereto.

또한, PDMS의 표면은 소수성을 나타내므로, 이의 표면을 다양한 단백질 코팅 및 링커 분자를 이용하여 관능화 또는 표면 개질하는 것이 바람직할 수 있다. 관능화 또는 표면 개질을 위하여 사용되는 물질로서, 폴리에틸렌글리콜(PEG), PBS-EDTA (Phosphate buffered saline with ethylenediaminetetraacetic acid) 등을 예시할 수 있다. In addition, since the surface of PDMS exhibits hydrophobicity, it may be desirable to functionalize or surface modify the surface thereof with various protein coatings and linker molecules. Examples of the substance used for functionalization or surface modification include polyethylene glycol (PEG), phosphate-buffered saline (PBS-EDTA) and ethylenediaminetetraacetic acid.

한편, 도 3a 및 도 3b는 각각 도 2에 도시된 생체 외 분석 장치 내에 구비된 미세유체 채널의 예시적인 형상을 도시한다. 3A and 3B show an exemplary shape of a microfluidic channel provided in the in vitro analyzing apparatus shown in FIG. 2, respectively.

도 3a를 참고하면, 미세유체 채널(206a)은 직사각형 단면을 갖고 있으며, 이때 흐름 정보 중 유속 등은 미세유체 채널의 중심면을 기준으로 측정될 수 있다. 그러나, 이러한 단면은 실제 혈관의 형상과는 차이가 있는 바, 실제 혈관은 원형 단면을 갖고 있기 때문에 직사각형 단면의 미세유체 채널 내에서의 흐름 특성이 실제 혈관을 모사하는데 한계가 존재할 수 있다. 예를 들면, 적혈구 세포에 작용한 전단응력이 변화하여 채널 내 압력 빌드-업에 영향을 미치고, 이는 세포의 흐름 프로파일이 원형 단면의 혈관에서의 흐름 프로파일과 상이할 수 있다.Referring to FIG. 3A, the microfluidic channel 206a has a rectangular cross section, wherein the flow rate of the flow information can be measured based on the center plane of the microfluidic channel. However, since this cross section is different from the shape of the actual blood vessel, the actual blood vessel has a circular cross section, so that the flow characteristics in the microfluidic channel of the rectangular cross section may have a limitation in simulating actual blood vessels. For example, the shear stress acting on the red blood cells changes, affecting the build-up of pressure in the channel, which may be different from the flow profile of the cell in the circular cross-section.

상기의 점을 고려하여, 도 3b에 도시된 바와 같이 원형(circular) 또는 라운드 형상의 단면을 갖는 미세유체 채널(206b)을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. In view of the above, it may be desirable to form the microfluidic channel 206b having a circular or round cross-section as shown in FIG. 3B.

예시적 구체예에 따르면, 유리 모세혈관, 스테인레스 스틸 로드 및 나일론 스레드(theread)와 같은 주형 주위에 고분자 성형 원료(예를 들면, PDMS)를 캐스팅함으로써 원형 또는 라운드 형상의 단면을 갖는 미세유체 채널을 형성할 수 있다. 택일적 구체예에 따르면, 먼저 직사각형 단면을 갖는 고분자 재질(예를 들면, PDMS) 채널을 제작한 다음, 원형 단면을 갖도록 변형하는 방식을 이용할 수 있다. 예를 들면, 실리카의 졸-겔 반응을 이용하거나, 또는 저분자량의 실리콘 올리고머의 중합 반응 등을 통하여 원형 형상으로 제작할 수 있다. 또 다른 구체예에 따르면, 먼저 직사각형 단면을 갖는 미세유체 채널을 제작한 다음, 유기 용매(예를 들면, 헥산)에 실리콘 올리고머를 용해시킨 용액 및 가스(예를 들면, 질소 가스)를 미세채널의 축을 따라 순차적으로 도입하고, 이후 가스 흐름 주위에서 올리고머를 중합한 후에 용매를 제거하는 방식을 채택할 수 있다. 이와 같은 원형 단면의 미세유체 채널의 경우에도 유속과 같은 흐름 특성은 미세유체 채널의 중심면을 기준으로 측정될 수 있다.According to an exemplary embodiment, a microfluidic channel having a circular or round cross-section is formed by casting a polymeric molding material (e.g., PDMS) around a mold such as a glass capillary, a stainless steel rod and a nylon thread . According to an alternative embodiment, it is possible to use a method in which a polymer material (for example, a PDMS) channel having a rectangular cross section is first formed and then deformed to have a circular cross section. For example, it is possible to make a circular shape through a sol-gel reaction of silica or through a polymerization reaction of a low molecular weight silicone oligomer. According to another embodiment, a microfluidic channel having a rectangular cross section is first prepared, and then a solution in which a silicone oligomer is dissolved in an organic solvent (for example, hexane) and a gas (for example, nitrogen gas) And then the oligomer is polymerized around the gas flow, and then the solvent is removed. In the case of such a microfluidic channel having a circular cross section, the flow characteristics such as the flow velocity can be measured based on the center plane of the microfluidic channel.

도 4는 예시적 구체예에 있어서, 생체 외 분석 장치 내에서 형광 검출 방식을 기반으로 하여 미세유체 채널을 통과하는 혈액 혼합물의 흐름을 예시한다. Figure 4 illustrates, in an exemplary embodiment, the flow of a blood mixture through a microfluidic channel based on a fluorescence detection scheme in an in vitro analyzer.

도시된 바와 같이, 적혈구 세포(RBC)는 주로 미세유체 채널의 코어 영역에 위치하면서 유동하게 되며, 채널 벽 부근, 즉 세포-희박 층(cell free layer; CFL) 영역에는 플라즈마(혈장)가 주로 존재한다. 이때, 형광 물질 또는 형광 프로브와 결합된 약물 담체는 코어 영역뿐만 아니라, 세포-희박 영역에 걸쳐 분포하게 되는 바, 이의 분포 특성에 따라 형광 현미경에 의하여 상이한 형광 강도가 검출된다. 따라서, 형광 현미경에 의하여 관찰되는 미세유체 채널의 영역의 단면에서의 형광 분포를 고려하여 적혈구 세포(RBCs)와 약물 담체 간의 상대적인 분포 특성을 지시하는 형상 파라미터(α)를 결정할 수 있다. As shown, red blood cells (RBC) mainly flow in the core region of the microfluidic channel, and plasma (plasma) is mainly present in the vicinity of the channel wall, that is, in the cell-free layer (CFL) do. At this time, the drug carrier bound to the fluorescent substance or fluorescent probe is distributed not only in the core region but also in the cell-lean region, and different fluorescence intensities are detected by fluorescence microscope according to the distribution characteristics thereof. Therefore, the shape parameter (?) Indicating the relative distribution characteristics between the red blood cells (RBCs) and the drug carrier can be determined in consideration of the fluorescence distribution in the cross section of the region of the microfluidic channel observed by the fluorescence microscope.

이와 함께, 생체 외 분석 장치를 통하여 유속, 적혈구 용적율 및 약물 담체의 농도와 같은 흐름 정보를 측정할 수 있는 바, 이러한 흐름 정보 각각은 현광 현미경에 측정한 이미지 정보를 분석하여 측정될 수 있다. 예를 들면, 형광 현미경으로 노출 시간(exposure time) 동안 연속 촬영된 이미지 파일을 획득하여, 유속은 파일에서 측정되는 형광 염색된 적혈구 세포의 궤적의 세기 또는 강도(intensity) 값을 기준으로 궤적의 길이를 분석하여 값을 도출한다. 이때, 적혈구의 용적율은 연속 촬영된 이미지상에서의 염색된 적혈구 세포를 세어 염색된 적혈구 세포 및 혈액의 적혈구 세포의 비율을 기준으로 분석하여 값을 도출한다. In addition, flow information such as flow rate, hematocrit, and drug carrier concentration can be measured through an in vitro analyzer, and each of these flow information can be measured by analyzing image information measured by a glare microscope. For example, a fluorescence microscope is used to obtain an image file that is continuously photographed during the exposure time, and the flow rate is determined by measuring the length of the locus based on the intensity or intensity value of the fluorescently- To derive the value. At this time, the volume ratio of red blood cells is determined by counting the number of stained red blood cells on a continuous photographed image and analyzing based on the ratio of stained red blood cells and red blood cells of blood.

체외에서 미세유체 채널을 통하여 측정되는 파라미터(α)의 경우, 적혈구 세포의 분석과 유사하게 형광 현미경을 통하여 나오는 광 세기(light intensity)로부터 채널 중심과 채널 벽면에서의 강도 차이를 확인한다. 구체적으로, 미세유체 채널에 주입되기 전 광 세기를 1 로 설정할 때, 미세유체 채널 내 각 구간별(채널 벽면으로부터 채널 중앙까지) 광 세기를 측정하여 상대적인 값을 확인하고, 이를 이용하여 RBC 코어 및 CFL 사이에서의 약물 담체의 농도 변화를 확인한다.In the case of the parameter (α) measured through the microfluidic channel in vitro, the intensity difference between the channel center and the channel wall surface is checked from the light intensity through the fluorescence microscope similar to the analysis of the red blood cell. Specifically, when the light intensity before being injected into the microfluidic channel is set to 1, the light intensity is measured for each section (from the channel wall surface to the channel center) in the microfluidic channel, and the relative value is determined. Confirm the change in the concentration of the drug carrier between CFLs.

이와 같이, 비교적 간단한 생체 외 실험을 통하여 형상 파라미터(α) 값을 비롯한 혈액의 흐름 정보를 구할 수 있다.Thus, the flow information including the shape parameter (alpha) value can be obtained through a relatively simple in vitro experiment.

B. 미세 혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴 B. Microvascular Mass Transfer Simulation Tool

(1) 미세혈관의 기하학적 형상의 (1) the geometric shape of microvessels 모델링modelling

예시적 구체예에 따르면, 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴은 혈액의 점도부터 플라즈마 스키밍 효과까지의 혈류역학적 조절 대부분을 3차원의 미세혈관의 기하학적 특성 내로 포함시킬 수 있고, 간단하고 비용면에서 유리한 알고리즘을 제공할 수 있는 것이 유리하다. 통상적으로, 미세혈관계는 특정 지점으로부터 연쇄적인 분지 현상에 의하여 형성되는데, 상기 과정에서 분지 각은 기준좌표계로부터의 방위각 및 편각 한계 범위 내에서 랜덤하게 선택된다. 그 다음, 미세혈관의 기하학적 특성은 모든 혈관 세그먼트의 노드(node) 정보 및 혈관 직경을 저장함으로써 설정되는 바, 생성된 미세혈관계에 있어서 각각의 혈관 세그먼트 내 혈액 흐름은 푸아죄유 흐름 분석 솔루션을 이용하여 산출될 수 있다. 또한, 미세혈관의 기하학적 특성 및 혈류역학에 대한 모델 파라미터는 수학식/경험식으로 기술될 수 있다According to an illustrative embodiment, a microvascular mass transfer simulation tool can include most of the hemodynamic control from blood viscosity to plasma skimming effects into the geometric properties of three-dimensional microvessels, and a simple and cost- It is advantageous to be able to provide. Typically, the microvessel system is formed by a chain branching phenomenon from a particular point, wherein the branching angles are randomly selected within the azimuth and declination limits from the reference coordinate system. The geometric characteristics of the microvessels are then set by storing node information and vessel diameters of all vascular segments so that the blood flow in each vessel segment in the resulting microvessel system is determined using a Poisson flow analysis solution Can be calculated. In addition, the geometric characteristics of the microvessels and the model parameters for the hemodynamics can be described by a mathematical expression / empirical expression

도 5는 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따라 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴을 이용하여 i번째 분지 영역에서 세포 및/또는 약물 담체의 농도를 예측하기 위한 순서도이다. 이하에서는 도 5에 도시된 알고리즘을 중심으로 설명하기로 한다. 다만, 본 개시 내용이 이에 한정되는 것은 아니며, 전술한 생체 외 분석 실험을 통하여 도출되는 흐름 정보와 결합하여 세포 및/또는 약물 담체의 거동을 예측할 수 있는 한, 다른 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴을 이용할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. Figure 5 is a flow chart for predicting the concentration of cells and / or drug carrier in the i- th branch area using a microvessel mass transfer simulation tool in accordance with an exemplary embodiment of the present disclosure. Hereinafter, the algorithm shown in FIG. 5 will be described. However, the present disclosure is not limited to this, and other microvessel mass transfer simulation tools may be used as long as the behavior of the cells and / or the drug carrier can be predicted by combining the flow information derived from the above- Should be understood as being available.

예시적 구체예에 따르면, 다양한 미세혈관의 기하학적 형상을 구현하기 위하여 수학적 알고리즘을 도입한다. 미세혈관의 기하학적 형상에 대한 정보는 개별 분지에서의 노드 위치(x) 및 혈관 직경(d)이다. 개별 분지에서의 위치는 혈관 길이(l) 및 분지 각(θφ)에 의하여 결정될 수 있다. 또한, 미세혈관의 기하학적 특성 중 불균일성을 반영하기 위하여, 미세혈관의 기하학적 모델에서 직경 및 각도의 변화가 포함된다.According to an exemplary embodiment, a mathematical algorithm is introduced to implement various microvessel geometries. The information about the geometric shape of the microvessels is the node position (x) and the vessel diameter ( d ) in each branch. The position in an individual branch may be determined by the vessel length l and the branch angles [ theta] and [ phi ]. In addition, changes in diameter and angle are included in the geometric model of microvessels to reflect the non-uniformity of the geometric characteristics of the microvessels.

- 분지 법칙(- Branching rule ( bifurcationbifurcation lawlaw ))

미세혈관에 있어서, i번째 모 혈관(x i )는 분지 혈관(daughter vessel) 세그먼트(x 2i 및 x 2i +1)로 분지되는데, 이때 모든 모혈관 세그먼트는 모두 분지되는 것으로 가정한다. 따라서, 혈관 세그먼트의 총 개수는 2배, 즉 "2i"로 표시될 수 있다. 상술한 가정 하에서, 혈관 직경은 하기 수학식 1로 표시될 수 있다.In the microvessels, the i- th maternal blood vessel (x i ) is branched into daughter vessel segments (x 2i and x 2i +1 ), assuming that all parent vessel segments are all branched. Thus, the total number of vascular segments in double, that is, "i 2" Can be displayed. Under the above assumption, the diameter of the blood vessel can be expressed by the following equation (1).

Figure 112016079718553-pat00009
Figure 112016079718553-pat00009

여기서, γ는 분지 지수(bifurcation exponent)이다.Where y is the bifurcation exponent.

γ가 증가할수록 미세혈관 형상의 전체 체적은 증가하며, 또한 모세혈관 네트워크를 통한 혈액 전달 과정에서 흐름 저항은 감소한다. 따라서, 후술하는 바와 같이 미세혈관 내에서의 벽 전단응력을 최소화하기 위하여는 높은 γ 값을 제공하는 것이 요구될 수 있다.As γ increases, the total volume of microvascular features increases, and flow resistance decreases during blood transport through the capillary network. Therefore, it may be required to provide a high? Value in order to minimize the wall shear stress in the microvessels as described later.

머레이 법칙에 따르면, 혈관계 내에서의 에너지 분산 및 벽의 전단응력은 γ=3일 때 최소화되는 바, 이는 Murray 등의 논문(Murray, C.D., 1926. The physiological principle of minimum work: I. the vascular system and the cost of blood volume. Proceedings of the National 295 Academy of Sciences of the United States of America 12, 207)에 상세히 언급되어 있다. 상기 문헌은 본 개시내용의 참고자료로 포함된다. 이와 관련하여, 벽 전단응력의 범위는, 예를 들면 약 50 내지 150 dyne/cm2 범위일 수 있다.According to Murray's law, the energy dispersion in the vascular system and the shear stress of the wall are minimized when γ = 3. This is because Murray, CD, 1926. The physiological principle of minimum work: I. The vascular system and the cost of blood volume. Proceedings of the National 295 Academy of Sciences of the United States of America 12, 207). Which is incorporated herein by reference. In this regard, the range of wall shear stress may range, for example, from about 50 to 150 dyne / cm 2 .

또한, 분지 혈관 세그먼트 사이의 비대칭 직경을 얻기 위하여, d 2i d 2i +1 가 하기 수학식 (2)에 의하여 결정된다.Further, in order to obtain the asymmetric diameter between the branch vessel segments, d 2i and d 2i +1 are determined by the following equation (2).

Figure 112016079718553-pat00010
Figure 112016079718553-pat00010

여기서, N은 평균 1 및 표준 편차 σ d 를 갖는 정상 분포를 의미한다.Here, N means a normal distribution with mean 1 and standard deviation sigma d .

- 혈관의 - blood vessels 직경에In diameter 대한 길이 비율 Length ratio for

분지 혈관 세그먼트는 다음 분지 시점까지 연장되는데, 분지 시점의 불확실성으로 인하여 혈관 세그먼트의 길이는 무작위적이다. 도시된 알고리즘에서는 직경에 대한 길이 비율(β)을 이용하여 혈관 세그먼트 길이를 결정할 수 있는데, 길이와 직경 사이의 관계는 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. The branch vessel segments extend to the next branch point, and the length of the vessel segment is random due to branching uncertainty. In the illustrated algorithm, the length of the vascular segment can be determined using the length ratio ([beta]) to the diameter. The relationship between the length and the diameter can be expressed by the following equation (3).

Figure 112016079718553-pat00011
Figure 112016079718553-pat00011

여기서, β는 직경에 대한 길이 비이다.Where beta is the length ratio to diameter.

혈액 점도 및 적혈구 용적율은 β에 독립적인데, 이는 생체 내 점도 법칙에 관한 식(예를 들면, 후술하는 수학식 9 내지 11)에서 혈관 길이는 포함되어 있지 않기 때문이다. 그러나, 유속 및 벽 전단응력은 β값과 관련성이 높은 바, 예를 들면 β값이 증가할수록 미세혈관 내에서 벽 전단응력은 증가하게 되며, 미세혈관을 통한 평균 유속은 감소하게 된다. 다만, 이하에서는 특별한 언급이 없는 한, β=25로 가정할 수 있다.The blood viscosity and the hematocrit ratio are independent of? Because the blood vessel length is not included in the equation concerning in-vivo viscosity law (for example, Equations 9 to 11 described later). However, the flow velocity and wall shear stress are highly related to the β value. For example, as the β value increases, the wall shear stress increases in the microvessels and the average flow velocity through the microvessels decreases. However, in the following, β = 25 can be assumed unless otherwise specified.

- 분지 각(- Branch angle ( bifurcationbifurcation angleangle ))

3차원 미세혈관에 있어서, i번째 위치는 l i , θ i φ i 로 정의될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 방위각(θ i )은 x-축으로부터 측정되는 수평각을 의미하며, 편각(φ i )은 z-축으로부터 측정되는 수직각이다. 방위각(θ i ) 및 편각(φ i )은 각의 변화(△θ 및 △φ)를 랜덤하게 선택함으로써 결정되며, 각각의 상한 및 하한은

Figure 112016079718553-pat00012
Figure 112016079718553-pat00013
를 갖는다. 그 다음, 위치(x i )는 x i /2 , β, θ i φ i 으로부터 산출된다.For a three-dimensional microvessel, the i- th position may be defined as l i , θ i, and φ i . 6, the azimuth angle i) refers to the horizontal angle which is measured from the x- axis, and polarization angle i) is the number of which is measured at right angles from the z- axis. Azimuth angle i) and a polarization angle i) is determined by randomly select a change in the angle (△ θ and φ △), each of the upper and lower limit
Figure 112016079718553-pat00012
And
Figure 112016079718553-pat00013
. Then, the position (x i ) is calculated from x i / 2 , β, θ i and φ i .

- 미세혈관의 기하학적 형상에 대한 수학적 알고리즘- Mathematical Algorithm for the geometric shape of microvessels

전술한 변수 및 파라미터를 모두 사용하여, 전체 미세혈관을 생성하기 위한 수학적 알고리즘은 하기와 같이 요약될 수 있다.Using all of the above-described parameters and parameters, a mathematical algorithm for generating the entire microvessels can be summarized as follows.

가. 단계 1end. Step 1

초기 혈관 파라미터(x 0 , θ 1 , φ 1, Δθ min , Δθ max , Δφ min , Δφ max , 및 d 1)를 선택한다.The initial vessel parameters (x 0 , θ 1, φ 1, Δ θ min, Δ θ max, Δ φ min, φ max selects Δ, and d 1).

나. 단계 2I. Step 2

θ i } 및 {Δφ i }를 하기 수학식 4 및 5의 범위 내에서 무작위로 생성한다:{[Delta ] [theta] i } and { [ Delta ] [ phi] i } are randomly generated within the ranges of the following equations 4 and 5:

Figure 112016079718553-pat00014
Figure 112016079718553-pat00014

여기서, n은 혈관 세그먼트의 총 수이다.Where n is the total number of vessel segments.

i=1인 경우에는 분지가 형성되지 않은 만큼, 방위각의 초기 변화(Δθ 1 ) 및 편각의 초기 변화(Δφ 1 )는 0으로 설정된다.For i = 1, the initial change in azimuth, by not branched is not formed (Δ θ 1) and the initial change in the polarization angle (Δ φ 1) is set to zero.

다. 단계 3All. Step 3

하기 수학식 6 및 7로부터 분지 각에 대한 θ i φ i (i=2, ···, n)를 산출한다:To be from the formula 6 and 7 calculated θ i and φ i (i = 2, ··· , n) for each basin:

Figure 112016079718553-pat00015
Figure 112016079718553-pat00015

여기서,

Figure 112016079718553-pat00016
는 x보다 크지 않은 가장 큰 정수를 의미한다.here,
Figure 112016079718553-pat00016
Means the largest integer not greater than x.

라. 단계 4la. Step 4

위치 (x i )를 하기 수학식 8과 같이 결정한다.The position (x i ) is determined according to the following equation (8).

Figure 112016079718553-pat00017
Figure 112016079718553-pat00017

이와 관련하여, 도 7은 제1 내지 제10 분지 수준에서 예시적인 알고리즘에 의하여 생성된 미세혈관의 기하학적 특징을 도시하는 도면이다. 상기 도면에 있어서, 제1, 제4, 제7 및 제10 분지 레벨에서 미세혈관의 기하학적 형태가 도시되며, β=25, γ=3, σd=0.05, Δθ min =0, Δθ max =π/3, Δφ min =0 및 Δφ max =π/3이다. 이러한 수학적 알고리즘은 한번에 모든 위치를 결정할 수 있다.In this regard, Fig. 7 is a diagram showing the geometric features of microvessels generated by the exemplary algorithm at the first to tenth branch levels. In the figure, the first, fourth, seventh and is shown the geometry of the microvasculature in the basin level 10, β = 25, γ = 3 , σ d = 0.05, Δ θ min = 0, A Δ θ max = π / 3, Δ φ min = 0 and Δ φ max = π / 3. This mathematical algorithm can determine all positions at once.

(2) 미세혈관 내 혈액 흐름(2) microvascular blood flow

미세혈관의 복잡한 기하학적 형태 내에서 모세혈관을 통한 혈액 흐름 시뮬레이션은 유체 역학에 있어서 여전히 어려운 작업으로서, 개별 혈관 세그먼트 내에서의 혈액 흐름이 푸아죄유 흐름의 1차원 모델을 따르는 것으로 가정한다. 또한, 각각의 분지에 있어서 유속의 합은 질량 보존의 법칙 상 0으로 정의된다. 혈액 점도 및 적혈구 용적율은 경험식으로 표현될 수 있으며, 또한 미세혈관계 내의 적혈구 용적율 값은 드리프트 파라미터를 이용함으로써 최적화할 수 있다(드리프트 파라미터는 별도로 후술함). Simulation of blood flow through capillaries in complex geometric shapes of microvessels is still a difficult task in fluid mechanics, assuming that the blood flow in the individual vessel segments follows a one-dimensional model of the Poisson flow. The sum of the flow velocities in each branch is also defined as zero in the law of conservation of mass. The blood viscosity and hematocrit ratio can be expressed empirically, and the hematocrit ratio in the microvessel system can be optimized by using the drift parameters (drift parameters are described separately below).

- 혈액 점도- Blood viscosity

혈액 점도는 개별 혈관 세그먼트 내에서의 혈액 흐름을 정량화하기 위한 비선형 파라미터에 해당된다. 이와 관련하여, 기존 연구에서 튜브 직경 및 적혈구 용적율의 함수로서 생체 외 및 생체 내 점도 모델이 제시된 바 있는 바(Pries, A.R., Secomb, T.W., Gaehtgens, P., 1996. Biophysical aspects of blood flow in the microvasculature. Cardiovasc. Res. 32, 654-667), 상기 문헌은 본 명세서의 참고자료로 포함된다. 전형적으로, 생체 내 점도는 생체 외 점도보다 높은 것으로 알려져 있으며, 생체 내 혈관의 기하학적 형상 내에서의 혈액은 생체 외 튜브 채널에 대하여 보다 높은 저항을 받는다고 알려져 있다. 본 구체예에 따른 시뮬레이션에 있어서, 생체 내 점도 모델을 혈액 흐름 시뮬레이션에 적용한다. 이처럼, 생체 내 모델에 대한 점도 방정식은 하기 수학식 9 내지 11로 나타낼 수 있다.Blood viscosity corresponds to a non-linear parameter for quantifying blood flow in individual vessel segments. In this regard, in vitro studies and in vivo viscosity models have been presented as a function of tube diameter and hematocrit volume (Pries, AR, Secomb, TW, Gaehtgens, P., 1996. Biophysical aspects of blood flow in the 32, 654-667), which is incorporated herein by reference. Typically, in vivo viscosities are known to be higher than in vitro viscosities, and it is known that blood in the geometric shape of vascular vessels in vivo undergoes a higher resistance to in vitro tube channels. In the simulation according to this embodiment, an in-vivo viscosity model is applied to the blood flow simulation. As such, the viscosity equation for an in vivo model can be expressed by the following equations (9) to (11).

Figure 112016079718553-pat00018
Figure 112016079718553-pat00018

여기서, μ p 는 플라즈마 점도이고, H D 는 배출 적혈구 용적율이며, 그리고 d는 혈관 직경(㎛)이다. 수치 실험을 위하여, μ p 는 Yang 등의 논문(Yang, J., Wang, Y., 2013. Design of vascular networks: A mathematical model approach. Int. J. Numer. Meth. Biomed. Engng. 29(4), 515-529)에 기재된 바와 같이 9·10-6 mmHg·s로 가정할 수 있으며, 상기 문헌은 본 명세서의 참고자료로 포함된다. Where μ p is the plasma viscosity, H D is the emission hemocytometer volume, and d is the vessel diameter (μm). For the numerical experiments, μ p is given by Yang et al. (Yang, J., Wang, Y., 2013. Design of vascular networks: A mathematical model approach. Int. J. Numer. Meth. Biomed. Engng. ), can be assumed to 9 · 10 -6 mmHg · s as set forth in 515-529), this document is herewith included by reference in the present description.

- 유속- flow rate

각각의 혈관 세그먼트 내에서 혈액의 유속(Q i )은 푸아죄유 흐름 모델 및 생체 내(in vivo) 점도에 의하여 하기 수학식 12와 같이 산출될 수 있다.The flow rate (Q i ) of blood in each vessel segment can be calculated by the Poisson flow model and the in vivo viscosity according to the following equation (12).

Figure 112016079718553-pat00019
Figure 112016079718553-pat00019

여기서, ΔP i 는 혈관 세그먼트의 양 단부 사이의 압력 차를 의미한다.Here, Δ P i refers to the pressure difference between both ends of the blood vessel segment.

이와 관련하여, 도 8은 i번째 분지 지점에서 1차원 혈액 흐름 모델을 도시한다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 3개의 혈관 세그먼트(V i , V 2i , 및 V 2i +1 )가 i번째 분지 지점에서 연결되어 있으며, 질량 보존의 법칙 상 유속은 하기 수학식 13에 의하여 결정될 수 있다.In this regard, Figure 8 shows a one-dimensional blood flow model at the i- th branch point. As shown in the figure, three vessel segments ( V i , V 2i , and V 2i +1 ) are connected at the i- th branch point, and the mass flow rate can be determined by the following equation have.

Figure 112016079718553-pat00020
Figure 112016079718553-pat00020

후술하는 바와 같이, 인-실리코 미세혈관의 유입 및 배출 압력은 각각 60 mmHg 및 10 mmHg로 설정될 수 있다. As described later, the inflow and outflow pressures of the phosphorus-microcavity can be set to 60 mmHg and 10 mmHg, respectively.

- 벽 전단응력(- Wall shear stress ( wallwall shearshear stressstress ; ; WSSWSS ))

벽 전단응력(τ)은 하기 수학식 14로 정의될 수 있다.The wall shear stress [tau] can be defined by the following equation (14).

Figure 112016079718553-pat00021
Figure 112016079718553-pat00021

여기서, v는 혈액의 흐름 속도이고, y는 혈관의 외측 벽으로부터 거리이며, 그리고 μ는 혈액 점도이다. 전술한 수학식 12 및 14, 그리고 Q=v·A(여기서, A는 혈관 세그먼트의 단면적임)을 이용하여, i번째 혈관 세그먼트의 벽 전단응력(WSS)은 하기 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.Where v is the blood flow velocity, y is the distance from the outer wall of the blood vessel, and [mu] is the blood viscosity. Using the aforementioned equations (12) and (14) and Q = v · A (where A is the cross-sectional area of the blood vessel segment), the wall shear stress (WSS) of the i- th blood vessel segment can be expressed by the following equation .

Figure 112016079718553-pat00022
Figure 112016079718553-pat00022

- 적혈구 - red blood cells 용적율Floor area ratio

적혈구 용적율은 튜브(tube) 적혈구 용적율(H t ) 및 배출(discharge) 적혈구 용적율(H D )와 같이 2가지 방식으로 정의될 수 있다. 이와 관련하여, H t 는 혈관 세그먼트 내 적혈구 세포의 체적 분율, 그리고 H D 는 배출되는 전체 혈액 내 적혈구 세포의 체적 분율을 의미한다. H t H D 사이의 관계는, Pries 등의 논문(Pries, A.R., Secomb, T.W., Gaehtgens, P., Gross, J.F., 1990. Blood flow in microvascular networks, experiments and simulation. Circ. Res. 67(4), 826-834)에 기재된 바와 같이 하기 수학식 16에 의하여 나타낼 수 있으며, 상기 문헌은 본 명세서의 참고자료로 포함된다.Hematocrit can be defined in two ways as in the tube (tube) hematocrit (H t) and emission (discharge) hematocrit (H D). In this regard, H t is the volume fraction of red blood cells in the blood vessel segment, and H D is the volume fraction of red blood cells in the whole blood being discharged. The relationship between H t and H D is described in Pries et al. (Pries, AR, Secomb, TW, Gaehtgens, P., Gross, JF, 1990. Blood flow in microvascular networks, 4), 826-834, which is incorporated herein by reference.

Figure 112016079718553-pat00023
Figure 112016079718553-pat00023

여기서, d는 튜브 직경(㎛)이다. Here, d is the tube diameter (占 퐉).

본 명세서에서 별도로 언급하지 않는 한, 모든 적혈구 용적율은 평균 H D 를 의미한다.Unless otherwise stated herein, all erythrocyte volume ratios mean mean H D.

- - 플라즈마plasma 스키밍Skimming

도 9는 혈관계 중 분지 부위에서 적혈구의 플라즈마 스키밍 현상을 개략적으로 예시하는 도면이다.FIG. 9 is a view schematically illustrating a plasma skimming phenomenon of erythrocytes at a branching site in the vascular system.

모 혈관에 있어서, 혈액 흐름은 혈액 점도, 적혈구 용적율 및 압력 강하에 의하여 결정된다. 모 혈관으로부터 분지된 후, 후속 분지 혈관 내에서의 혈액 흐름 특성은 혈관 직경의 감소로 인하여 변화하는데, 그 결과 플라즈마 스키밍 현상의 적용을 받게 된다. 이때, 분지 혈관(daughter vessel) 내 유속은 분지 혈관의 직경을 이용하여 질량 보존의 법칙에 의하여 비교적 용이하게 산출될 수 있다. 또한, 모 혈관에서 적혈구 세포는 미세혈관의 적혈구 세포 코어 영역에서 농축되는 바, 이때 특정 두께의 세포 희박 층(cell-free layer; CFL)이 형성된다. In maternal blood vessels, blood flow is determined by blood viscosity, hematocrit, and pressure drop. After branching from the parent vessel, the blood flow characteristics in the subsequent branch vessel change due to the decrease in vessel diameter, resulting in application of the plasma skimming phenomenon. At this time, the flow rate in the daughter vessel can be relatively easily calculated by the law of conservation of mass using the diameter of the branch vessel. In addition, in the blood vessels, red blood cells are enriched in the red blood cell core region of the microvessel, in which a cell-free layer (CFL) of a certain thickness is formed.

그 다음, 보다 얇은 분지 혈관은 보다 적은 적혈구 세포 및 보다 많은 플라즈마를 함유하는 반면, 보다 두꺼운 분지 혈관은 보다 많은 적혈구 세포 및 보다 적은 플라즈마를 함유하게 된다. 도 9를 참고하면, 보다 두꺼운 혈관은 모 혈관에 비하여 높은 적혈구 용적율을, 그리고 보다 얇은 혈관은 보다 낮은 적혈구 용적율을 갖게 된다.Then, thinner branch vessels contain fewer red blood cells and more plasma, while thicker branch vessels contain more red blood cells and less plasma. Referring to FIG. 9, a thicker blood vessel has a higher erythrocyte volume ratio than a mother blood vessel, and a thinner blood vessel has a lower erythrocyte volume ratio.

이처럼, 플라즈마 스키밍 현상에 따르면, 미세혈관 내 이동에 있어서 적혈구 세포가 농축되어 있는 혈관 코어 및 혈관 벽 근처의 세포-희박 층으로 인하여, 적혈구 용적율 레벨은 분지 혈관에서 변화하게 되고, 후속 분지 프로세스는 전체 혈관 내에서의 총 적혈구 세포의 분포 및 혈액 흐름 특성을 변화시킨다. As described above, according to the plasma skimming phenomenon, the hematocrit level is changed in the branch vein due to the vascular core in which the red blood cells are concentrated in the microvascular migration and the cell-lean layer near the blood vessel wall, Changes the distribution of total red blood cells and blood flow characteristics in the blood vessels.

이와 관련하여, 모 혈관이 분지됨에 따른 적혈구 플라즈마 스키밍에 따른 혈관계 내 적혈구 세포의 분포 및 혈액 흐름 특성은 하기 수학식 17 내지 19로 표시될 수 있다.In this regard, the distribution of red blood cells in the vascular system and blood flow characteristics according to erythrocyte plasma skimming as parent blood vessels are branched can be expressed by the following equations (17) to (19).

Figure 112016079718553-pat00024
Figure 112016079718553-pat00024

여기서, H i i번째 혈관 세그먼트의 적혈구 용적율이고,

Figure 112016079718553-pat00025
는 플라즈마 스키밍에 의한 적혈구 용적율 변화 계수(coefficient)이고, Q i i번째 혈관 세그먼트에서의 유속이며, A i i번째 혈관 세그먼트의 혈관의 단면적을 의미한다.Here, H i is the hematocrit of the i- th blood vessel segment,
Figure 112016079718553-pat00025
Is the hematocrit variation coefficient (coefficient) due to plasma skimming, and the flow rate in Q i is the i-th vessel segments, A i refers to the i-th cross-sectional area of the blood vessel of the blood vessel segment.

상기 수학식은 Gould 등의 논문(Gould, I.G., Linniger, A.A., 2015. Hematocrit distribution and tissue oxygenation in large microcirculatory networks, Microcirculation 22(1), 1-18)에 상세히 언급되어 있는 바, 상기 문헌은 본 개시내용의 참고자료로 포함된다.The above equations are described in detail in Gould, IG, Linniger, AA, 2015. Hematocrit distribution and tissue oxygenation in large microcirculatory networks, Microcirculation 22 (1), 1-18, It is included as a reference of contents.

예시적 구체예에 있어서, 모혈관이 2개의 혈관으로 분지되는 경우, 수학식 17 내지 19는 하기 수학식 17'내지 19'로 다시 표시될 수 있다.In an exemplary embodiment, when the parent blood vessel is divided into two blood vessels, Equations 17 to 19 can be re-expressed as Equations 17 'to 19' below.

Figure 112016079718553-pat00026
Figure 112016079718553-pat00026

여기서, 아래 첨자 0, 1 및 2는 각각 모 혈관(parent vessel) 및 2개의 분지된 혈관(daughter vessels)을 지시하며, ΔH는 분지에 의한 적혈구 용적율의 변화를 의미한다. Here, subscripts 0, 1 and 2 denote parent vessels and two daughter vessels, respectively, and Δ H denotes a change in the hematocrit by the basin.

상기 모델에서 혈액 흐름은 분지 부위에서 보존 법칙을 충족해야 하는데, 구체적으로 유입량(flow-in) 및 유출량(flow-out)은 질량 밸런스를 충족하도록 동일해야 한다. 질량 보존 식에 있어서, 보존되는 값은 체적 흐름인 반면, 적혈구 용적율은 보존되지 않는다. 모 혈관에서의 흐름 및 적혈구 용적율, 그리고 최종 분지 혈관에서의 유출량은 알려진 값으로서, 이들 값을 이용하여 분지 혈관에 대한 적혈구 용적율이 결정될 수 있다. 질량 보전과 달리, 적혈구 용적율 수준은 분지 혈관들 각각에서 상호 동일한 것은 아니다(적혈구 용적율이 혈관 내 전체 혈액 체적에 대한 적혈구 세포의 체적의 비에 기초하기 때문임). In this model, the blood flow must meet the conservation law at the branch site, specifically the flow-in and flow-out must be the same to meet the mass balance. In the mass conservation equation, the preserved value is volumetric flow, while the hematocrit ratio is not preserved. The flow and hematocrit in the maternal blood vessel and the outflow in the final branch vessel are known values, and the hematocrit to the branch vessel can be determined using these values. Unlike mass conservation, hematocrit levels are not the same in each of the branch vessels (because the hematocrit is based on the ratio of the red blood cell volume to the total blood volume in the vessel).

전술한 바와 같이, 작은 반경을 갖는 분지 혈관은 적혈구 세포보다 많은 플라즈마를 수용하기 때문에 분지 혈관 내 적혈구 상(phase)의 체적 흐름 분율은 수학식 17'에 기재된 바와 같이 모 혈관의 배출 적혈구 용적율(H 0 )에서 감소 항(depletion term)을 뺀 값으로 표시될 수 있다. 그러나, 감소 항을 포함시킬 경우, 이의 값은 개별 분지 혈관마다 변화하기 때문에 높은 자유도가 도입된다. 자유도를 낮추기 위하여는, 분지 적혈구 세포 상(phase)의 분율을 수학식 17'와 같이 조정된 적혈구 용적율 값(H * ) 및 플라즈마 스키밍에 의한 적혈구 용적율 변화 계수(

Figure 112016079718553-pat00027
)로 기재할 수 있다. 따라서, 적혈구 상(phase)의 체적 유속 보존 방정식은 혈관 분지에 관한 한, 수학식 19'에 기재된 바와 같이, 플라즈마 스키밍에 의한 적혈구 용적율 변화 계수 및 조정된 적혈구 용적율 값으로 대체하여 기재할 수 있다.As described above, since the branch vessel having a small radius accommodates more plasma than the red blood cells, the volume flow fraction of the erythrocyte phase in the branch vessel can be expressed by the volume fraction H ( H 0 ) minus the depletion term. However, when a reduction term is included, a high degree of freedom is introduced since its value varies with individual branch vessels. In order to lower the degree of freedom, the fraction of the branched red blood cell phase is calculated from the adjusted hematocrit ratio ( H * ) as shown in Equation 17 'and the hematocrit ratio change coefficient
Figure 112016079718553-pat00027
). Therefore, the volume flow rate conservation equation of the erythrocyte phase can be described by replacing the hematocrit ratio change coefficient and the adjusted hematocrit ratio by plasma skimming with respect to the blood vessel branch as described in Equation 19 '.

한편, 수학식 18'에 기재된 바와 같이 플라즈마 스키밍에 의한 적혈구 용적율 변화 계수인

Figure 112016079718553-pat00028
는 모 혈관의 단면적(A 0 )과 2개의 분지된 혈관의 단면적(A 1 A 2 )의 비(ratio) 및 드리프트 파라미터(M)에 의하여 표시될 수 있다. On the other hand, as shown in Equation (18 '), the hematocrit ratio change coefficient
Figure 112016079718553-pat00028
Can be represented by the ratio of the cross-sectional area ( A 0 ) of the parent blood vessel to the cross-sectional areas ( A 1 and A 2 ) of the two branched blood vessels and the drift parameter ( M ).

이와 같이, 플라즈마 스키밍에 의한 적혈구 용적율 변화 계수(

Figure 112016079718553-pat00029
)는 모 혈관 및 분지 혈관의 면적 사이의 비율에 의존하는데, 이는 분지 혈관 내 플라즈마의 량이 혈관의 사이즈에 따라 변화하기 때문이다(더 작은 혈관 사이즈에서는 더 많은 량의 플라즈마가 존재함).As described above, the hematocrit ratio change coefficient
Figure 112016079718553-pat00029
) Depends on the ratio between the area of the parent vessel and the branch vessel because the amount of plasma in the branch vessel varies with the size of the vessel (there is a larger amount of plasma in the smaller vessel size).

또한, 드리프트 파라미터(M) 역시 계산 과정에서 중요한 고려 사항인 바, 이는 혈관 벽과 적혈구 세포 사이의 힘을 나타내기 때문이다. M 값이 1을 초과할 경우에는 플라즈마와 적혈구 세포의 분리가 덜하고 혼합이 양호한 보다 큰 혈관에 존재하는 경향을 갖게 된다. 이처럼, 드리프트 파라미터(M)는 적혈구 용적율에 대한 스키밍의 영향과 반비례한다. 즉, 드리프트 파라미터(M)가 클수록 적혈구 용적율 변화 계수(

Figure 112016079718553-pat00030
)는 1에 접근하게 되고, 이는 플라즈마 스키밍이 덜 일어남을 의미한다. 드리프트 파라미터(M)가 무한대로 클 경우에는 모든 혈관 가지(branch)에서 동일한 농도를 갖게 된다.In addition, the drift parameter ( M ) is also an important consideration in the calculation process because it represents the force between the vessel wall and the red blood cell. When the M value exceeds 1, plasma and red blood cells are less separated and tend to exist in larger blood vessels with good mixing. As such, the drift parameter ( M ) is inversely proportional to the effect of skimming on the hematocrit. That is, as the drift parameter ( M ) increases, the hematocrit
Figure 112016079718553-pat00030
) Approaches 1, which means less plasma skimming occurs. If the drift parameter ( M ) is infinitely large, it will have the same concentration in all vascular branches.

상술한 바와 같이, 드리프트 파라미터(M)에 기초하여, 플라즈마 스키밍은 증가하거나 감소될 수 있는 바, 생체 내 미세혈관 네트워크의 경우에 드리프트 파라미터(M)은, 예를 들면 약 5.25일 수 있다. 상기 드리프트 파라미터(M) 값은 앞서 설명한 Gould 등의 논문에 상세히 언급되어 있다.As described above, based on the drift parameter M , the plasma skimming can be increased or decreased, and in the case of an in vivo microvascular network, the drift parameter M can be, for example, about 5.25. The drift parameter ( M ) value is described in detail in Gould et al., Supra.

조직(tissue) 내에서 산소의 소비는 조정된 배출 적혈구 용적율(H * )의 함수이므로, H * 값을 결정할 필요가 있다. 이때, 플라즈마 스키밍에 의한 적혈구 용적율 변화 계수(

Figure 112016079718553-pat00031
)는 모 혈관으로부터 분리되는 2개의 분지 혈관의 사이즈 차이를 설명할 수 있다. Since the consumption of oxygen in tissue is a function of the adjusted emission hematocrit ( H * ), it is necessary to determine the H * value. At this time, the hematocrit ratio change coefficient by plasma skimming
Figure 112016079718553-pat00031
) Can explain the difference in size of two branch vessels separated from the parent blood vessel.

수학식 19'에서와 같이, 각각의 혈관은 해당 혈관의 플라즈마 스키밍에 의한 적혈구 용적율 변화 계수(

Figure 112016079718553-pat00032
)와 H * 의 곱에 의하여 적혈구 용적율 값을 나타낼 수 있다. 개별 혈관 내 체적 유속이 정해지고 플라즈마 스키밍에 의한 적혈구 용적율 변화 계수(
Figure 112016079718553-pat00033
)가 산출된 것으로 가정할 때(즉, 체적 유속(Q), 모 혈관에서의 적혈구 용적율 값(H 0 ) 및 플라즈마 스키밍에 의한 적혈구 용적율 변화 계수(
Figure 112016079718553-pat00034
)는 이미 알려지거나 정해져 있는 경우), 수학식 19'에서 유일하게 특정되지 않은 값은 배출 적혈구 용적율이다. 따라서, 수학식 3은 조정된 적혈구 용적율을 구하기 위하여 하기 수학식 19''와 같이 재배열될 수 있고, 조정된 적혈구 용적율 값(H * )은 분지 혈관의 적혈구 용적율 값을 산출하는데 사용될 수 있다.As shown in Equation (19), each blood vessel has a hematocrit ratio change coefficient
Figure 112016079718553-pat00032
) And H * can be used to represent the hematocrit ratio. The volumetric flow rate in individual vessels was determined and the change coefficient of hematocrit ratio by plasma skimming
Figure 112016079718553-pat00033
) (I.e., the volume flow rate ( Q ), the hematocrit ratio ( H 0 ) value in the mother blood vessel, and the hematocrit ratio change coefficient
Figure 112016079718553-pat00034
) Is already known or defined), a value not uniquely specified in Equation 19 'is the emission hematocrit. Accordingly, Equation 3 can be rearranged as shown in Equation 19 " to determine the adjusted hematocrit, and the adjusted hematocrit value H * can be used to calculate the hematocrit value of the branch vessel.

Figure 112016079718553-pat00035
Figure 112016079718553-pat00035

이와 같이, 분지 혈관 각각에 대한 적혈구 용적율 값은

Figure 112016079718553-pat00036
로 나타낼 수 있다. Thus, the hematocrit ratio value for each of the branch vessels is
Figure 112016079718553-pat00036
.

단일 분지 모델에 있어서, 개별 분지 혈관 내 체적 흐름은 서로 상이한 것으로 가정될 수 있으나, 이의 합은 모 혈관의 체적 흐름과 같다. 보다 현실적인 경우에 있어서, 분지 혈관의 직경(또는 단면적)이 변화함에 따라 이의 체적 흐름 역시 변화한다. 또한, 분지 혈관의 플라즈마 스키밍에 의한 적혈구 용적율 변화 계수(

Figure 112016079718553-pat00037
) 또는 단면적 비의 합은 1이 된다. 이러한 단일 분지 모델을 이용하여 배출 적혈구 용적율 및 후속적으로 개별 분지 혈관의 적혈구 용적율이 전이(transition) 과정(큰 혈관으로부터 작은 혈관으로 또는 작은 혈관으로부터 큰 혈관으로 전이) 중 각각의 단계에서 결정될 수 있다. In a single branch model, the individual branch intravascular volume flow can be assumed to be different from each other, but its sum is equal to the volume flow of the parent vessel. In a more realistic case, its volume flow also changes as the diameter (or cross-sectional area) of the branch vessel changes. Also, the hematocrit ratio change coefficient
Figure 112016079718553-pat00037
) Or the sum of the cross sectional area ratios is 1. Using this single branching model, the emission hematocrit and subsequently the hematocrit of individual branch vessels can be determined at each stage of the transition process (from large to small vessels or from small to large vessels) .

상기 수학식 17' 내지 19'에 있어서, 만약 2개의 분지 혈관이 동일한 혈관 직경을 갖는 경우, 분지 혈관의 적혈구 용적율을 결정하기 위한

Figure 112016079718553-pat00038
는 동일하므로 2개의 분지 혈관의 적혈구 용적율 값은 모 혈관의 적혈구 용적율 값과 같을 것이다. 그러나, 대부분의 경우에 있어서 2개의 분지 혈관은 상이한 직경을 갖고 있다. 만약 2개의 분지 혈관의 직경에 큰 차이가 있다면, 보다 두꺼운 분지 혈관이 높은
Figure 112016079718553-pat00039
값을 갖는 반면, 보다 얇은 분지 혈관은 낮은
Figure 112016079718553-pat00040
값을 갖게 된다. 다만,
Figure 112016079718553-pat00041
의 절대 값은 물리적 의미를 갖는 것은 아니며, 2개의 분지 혈관의
Figure 112016079718553-pat00042
값 사이의 상대적 차이가 분지 혈관의 적혈구 용적율에 영향을 미치는 것임을 주목할 필요가 있다. In Equations (17 ') - (19'), if two branch vessels have the same blood vessel diameter, it is possible to determine the hematocrit
Figure 112016079718553-pat00038
The hematocrit ratio of the two branch vessels will be equal to the hematocrit ratio of the parent blood vessel. However, in most cases, the two branch vessels have different diameters. If there is a large difference in the diameter of the two branch vessels, the thicker branch veins are higher
Figure 112016079718553-pat00039
While the thinner branch vessels are low
Figure 112016079718553-pat00040
Value. but,
Figure 112016079718553-pat00041
Is not a physical value, and the absolute value of two branchial vessels
Figure 112016079718553-pat00042
It should be noted that the relative difference between the values has an effect on the hematocrit of the branch vessels.

- 미세혈관 수준에서 혈액 흐름에 대한 전산 알고리즘- Computational algorithm for blood flow at microvascular level

도 5에 있어서, 미세혈관을 생성하는 것부터 혈액 전달을 모사(시뮬레이션)하는 것까지의 알고리즘은 앞서 설명한 바 있다. 즉, 미세혈관 내에서의 혈액 흐름은 수학식 9 내지 수학식 13에 의하여 계산될 수 있고, 플라즈마 스키밍 효과를 고려하여 혈액 흐름 값을 다시 산출한다. 이와 관련하여, 적혈구 용적율이 허용 수준인 ε=10-6 이하로 수렴할 때까지 순환 루프를 반복할 수 있다.In Fig. 5, the algorithm from generation of microvessels to simulation (simulation) of blood transfer has been described above. That is, the blood flow in the microvessels can be calculated by Equations (9) to (13), and the blood flow value is again calculated in consideration of the plasma skimming effect. In this regard, the circulation loop can be repeated until the hematocrit ratio converges to an acceptable level of ε = 10 -6 or less.

예시적 구체예에 따르면, 인-실리코 미세혈관계의 성능을 테스트하기 위하여 다양한 형태학적 및 유변학적 조건 하에서 몇 가지 경우를 상정할 수 있다. 루트 혈관에서 예시적인 파라미터는 d 1=60㎛, x0=(0, 0, 0), θ 1=0, φ 1=π일 수 있다. 이때, 길이 단위는 ㎛이다. 또한, 루트 혈관으로부터 분지된 혈관 세그먼트의 경우, θ 2=π/2, θ 3=-π/2, φ 2=7π/8 및 φ 3=7π/8를 이용하여 결정될 수 있다. 이와 관련하여, 상술한 미세혈관 모델은 분지 각의 한계(Δθ min , Δθ max , Δφ min , 및 Δφ max ) 내에서 미세혈관 구조를 랜덤하게 생성하므로, 미세혈관의 형상은 매 시도마다 변화할 수 있다.According to exemplary embodiments, several cases can be envisaged under various morphological and rheological conditions to test the performance of the phosphorylsilicone microvessel system. Exemplary parameters in the root vessel may be d 1 = 60 μm, x 0 = (0, 0, 0), θ 1 = 0, and φ 1 = π. At this time, the unit of length is 탆. In addition, it may be determined by using the case of the blood vessel branches from a route segment blood vessel, θ 2 = π / 2, θ 3 = -π / 2, φ 2 = 7π / 8 , and φ 3 = 7π / 8. In this regard, the microvessel model described above has a limitation of the branch angle ([Delta ] [theta] min , Θ max Δ, Δ φ min, φ max, and Δ), so randomly produce a fine blood vessel structure in the shape of the microvessels can vary for each attempt.

C.세포 및/또는 약물 C. Cells and / or Drugs 담체에On the carrier 대한 일반화된  Generalized for 플라즈마plasma 스키밍Skimming 모델의 도입 Introduction of models

이하에서는 혈관 전달 시뮬레이션 툴에 생체 외 분석 장치로부터 측정된 혈액 혼합물의 흐름 정보를 적용(대입)하여 특정 위치(즉, i번째 혈관 세그먼트)에서의 세포 및/또는 약물 담체의 농도를 예측하는 방법에 관하여 상세히 설명한다. 다만, 도 5에서 사용된 혈관 전달 시뮬레이션 툴은 예시적인 것으로 이해되어야 하며, 생체 외 분석 장치에 의하여 도출되는 흐름 정보를 후술하는 일반화된 플라즈마 스키밍 모델에 적용할 수 있는 경우에는 다른 혈관 전달 시뮬레이션 툴을 활용할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, a method of predicting the concentration of cells and / or a drug carrier in a specific position (i.e., the i- th blood vessel segment) by applying flow information of a blood mixture measured from an in vitro analyzer to a blood vessel delivery simulation tool Will be described in detail. It should be understood, however, that the vessel delivery simulation tool used in FIG. 5 is illustrative and that when flow information derived by the in vitro analyzer can be applied to a generalized plasma skimming model described below, other vessel delivery simulation tools It should be understood that it can be utilized.

앞서 설명한 플라즈마 스키밍에 의한 적혈구 용적율 변화는 분지 부위에서의 질량 전달(mass transport)의 특별한 경우에 상당한다. 만약 약물 담체 또는 임의의 세포가 적혈구 세포와 상이한 분포 특성을 나타내는 경우에도 혈액의 플라즈마 스키밍 현상을 이용하여 이를 수학적으로 모델링화할 수 있는지 여부를 검토할 필요가 있다.The change in hematocrit as a result of the plasma skimming described above corresponds to a special case of mass transport at the branching site. Even if the drug carrier or any cell exhibits different distribution characteristics from the red blood cells, it is necessary to examine whether it can be mathematically modeled using the plasma skimming phenomenon of blood.

이에 대하여, 본 개시 내용의 일 구체예에서는 하기 수학식 20 내지 23에서와 같이 형상 파라미터를 반영하여 일반화된 플라즈마 스키밍 모델에 관한 방안을 제시한다.On the contrary, in one embodiment of the present disclosure, a method for a generalized plasma skimming model is presented by reflecting the shape parameters as shown in the following equations (20) to (23).

Figure 112016079718553-pat00043
Figure 112016079718553-pat00043

여기서, C는 세포 또는 약물 담체의 농도이고, Q는 유속이며,

Figure 112016079718553-pat00044
은 농도 변화 계수이고, α는 미세혈관 내 C의 단면적 분포에 대한 형상 파라미터이고, M은 드리프트 파라미터(drift parameter)이고, A는 각각의 혈관의 단면적이고, 아래 첨자 0, 1 및 2는 각각 모 혈관(parent vessel) 및 2개의 분지 혈관(daughter vessels)을 지시하며, 그리고 i는 1 및 2의 정수이다.Where C is the concentration of the cell or drug carrier, Q is the flow rate,
Figure 112016079718553-pat00044
Is the concentration variation coefficient, α is the shape parameter for the cross-sectional area distribution of C microvascular, M is the drift parameter (drift parameter), and, A is and cross-section of each vessel, the subscripts 0, 1, and 2 are each parent A parent vessel and two daughter vessels, and i is an integer of 1 and 2.

이와 관련하여, 본 개시 내용에 따라 제시되는 일반화된 플라즈마 스키밍 모델에 있어서 형상 파라미터(α)에 따른 혈관계 내 적혈구 세포(RBCs) 및 약물 담체의 단면 분포는 도 10과 같이 도시될 수 있다. In this regard, in a generalized plasma skimming model presented in accordance with the present disclosure, cross-sectional distributions of RBCs (RBCs) and drug carriers according to shape parameters (α) can be illustrated as in FIG.

상기 도면을 참고하면, 형상 파라미터(α)가 0인 경우에는 모든 약물 담체가 적혈구 세포의 코어 영역에 존재하기 때문에 앞서 기술한 혈액(적혈구 세포)에 대한 플라즈마 스키밍에서와 동일한 모델을 적용할 수 있다. 반면, 형상 파라미터(α)가 1인 경우에는 모든 약물 담체가 세포-희박 층(CFL) 영역에 존재하는 바, 모든 약물 담체는 CFL 영역 내에 존재하게 되므로 플라즈마 스키밍과는 상반되는 거동 특성에 의하여 재분포한다. Referring to the figure, when the shape parameter (alpha) is 0, since all the drug carriers exist in the core region of the red blood cells, the same model as the plasma skimming for the blood (red blood cells) described above can be applied . On the other hand, when the shape parameter (?) Is 1, all the drug carriers exist in the cell-lean layer (CFL) region, and all drug carriers are present in the CFL region. Therefore, Distributed.

대부분의 경우에 형상 파라미터(α)는 0과 1 사이의 값을 갖는데, 0에 근접할수록 적혈구 세포의 코어 영역에 존재할 가능성이 높고, 1에 근접할수록 세포-희박 층 영역에 존재하는 경향을 나타낸다. 또한, 보다 큰 입자는 세포-희박 층 영역에 존재할 가능성이 높은 반면, 보다 작은 입자는 코어 영역에 존재하는 경향을 갖기 때문에 입자 사이즈는 형상 파라미터(α)에 비례할 수 있다.In most cases, the shape parameter (α) has a value between 0 and 1. The closer to 0, the more likely it is in the core region of red blood cells, and the closer to 1 the tendency to exist in the cell-lean layer region. Also, the larger the particle is likely to be in the cell-lean layer region, while the smaller the particle is in the core region, the particle size can be proportional to the shape parameter ([alpha]).

상기의 점을 고려할 때, 형상 파라미터(α)는 적혈구 세포와 약물 담체 간의 상대적 분포 정도를 가리키며, 형상 파라미터(α)가 증가할수록 약물 담체의 분포는 세포-희박 층 방향으로 이동하게 되는 만큼, 모세혈관계(capillary bed) 내에서 이동(전달) 효율을 정량화하기 위한 일종의 지표(indicator)로 작용한다. 예측 모델의 간편성을 위하여, 약물 담체는 적혈구 세포 코어 영역 및 세포 희박 층 영역 각각에 있어서는 균일하게 분포되어 있고, 형상 파라미터(α)는 약물 담체의 상대적인 레벨을 나타내는 것으로 가정할 수 있는 것이다.Considering the above points, the shape parameter (?) Indicates the degree of relative distribution between the red blood cells and the drug carrier, and as the shape parameter (?) Increases, the distribution of the drug carrier shifts toward the cell- And serves as an indicator for quantifying the transfer efficiency within the capillary bed. For the sake of simplicity of the predictive model, it can be assumed that the drug carrier is uniformly distributed in each of the erythrocyte cell core region and the cell lean layer region, and the shape parameter? Represents the relative level of the drug carrier.

D. 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 D. Simulation of mass transfer of microvessels 툴과Tools and 일반화된  Generalized 플라즈마plasma 스키밍Skimming 모델의 결합( Combination of models couplingcoupling ))

전술한 수학식 20 내지 23에 따른 일반화된 플라즈마 스키밍 모델은 분지 시 간편하게 적용 가능하나, 전체 미세혈관 내에서 세포 및/또는 약물 담체의 분포를 예측하는 것은 용이한 작업이 아니다. 수천개의 혈관 세그먼트를 갖는 미세혈관 네트워크에서 개별 적혈구 세포 및 약물 담체를 고려할 경우, 시뮬레이션 결과를 얻기 위하여는 긴 시간이 요구되며, 또한 생체 내 실험을 수행하는 것 역시 정확한 분포 특성을 특정하는데 한계가 존재한다. The generalized plasma skimming model according to equations (20) to (23) described above can be easily applied at branching, but it is not an easy task to predict the distribution of cells and / or drug carriers in the entire microvessels. Considering the individual erythrocyte and drug carrier in a microvascular network with thousands of vascular segments, it takes a long time to obtain the simulation result, and performing the in vivo experiment also has a limitation in specifying the accurate distribution characteristic do.

본 개시 내용의 장점은 앞서 설명한 혈관계의 물질 전달 시뮬레이션 툴 및 생체 외 분석 장치를 이용한 실험을 통하여 간편하게 도출된 흐름 정보, 특히 형상 파라미터(α) 값을 수학식 20 내지 23에 의하여 제시된 일반화된 플라즈마 스키밍 모델과 결합함으로써 전술한 기술적 곤란성을 효과적으로 해결할 수 있다는 점에 있다. 즉, 도 5에서 도시된 바와 같이, 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴로부터 최적화된 적혈구 용적율 분포가 얻어지고, 실험적으로 도출된 형상 파라미터(α) 값을 일반화된 플라즈마 스키밍 모델에 대입하여

Figure 112016079718553-pat00045
C * i 를 산출함으로써 C * i , 즉 i번째 혈관 세그먼트에서의 약물 담체의 농도를 결정할 수 있다.Advantages of the present disclosure include flow information, particularly shape parameters (α) values, obtained through experiments using the mass transfer simulation tool of the vascular system and the in vitro analyzer as described above, using the generalized plasma skimming Model, it is possible to effectively solve the above-described technical difficulties. That is, as shown in FIG. 5, an optimized hematocrit ratio distribution is obtained from a microvessel mass transfer simulation tool, and an experimentally derived shape parameter (?) Value is substituted into a generalized plasma skimming model
Figure 112016079718553-pat00045
And C * i to determine the concentration of the drug carrier in C * i , i- th vessel segment.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the present invention is not limited thereto.

실시예Example

(1) 혈액 혼합물의 제조 및 생체 외 분석 실험으로부터 흐름 정보의 도출 (1) Production of blood mixture and derivation of flow information from in vitro analysis experiments

혈액 혼합물의 제조는 크게 3 단계로 구성되는 바, 구체적으로 쥐(mouse)로부터 혈액을 채취하는 단계, 혈액의 유속을 측정하기 위하여 적혈구 세포를 염색하여 혼합 혈액(mixture blood)을 제조하는 단계, 그리고 약물 담체와 혈액을 혼합하여 혈액 혼합물을 제조하는 단계로 이루어진다. The preparation of the blood mixture is roughly composed of three steps. Specifically, blood is collected from a mouse, the mixture blood is prepared by staining red blood cells to measure the flow rate of the blood, and And mixing the drug carrier and the blood to prepare a blood mixture.

쥐로부터 혈액을 채취하기 위하여, 8주 내지 10주령의 쥐를 이용하였으며, 마취제는 졸레틸(zoletil) 및 럼푼(rompun)을 혼합하여 사용하였다. 상기 마취제를 사용하여 쥐의 복강 내를 마취시켰다. 마취된 쥐를 개복한 후에 횡경막을 제거하고, 쥐의 심장의 심실에서 혈액을 채취하였다. 채취된 혈액에 4 내지 7 IU의 헤파린(heparin)을 혼합하여 후속 실험 과정에서 혈액의 응고(aggregation) 현상을 방지하였다. In order to collect blood from rats, rats of 8 to 10 weeks of age were used, and anesthetics were mixed with zolethyl and rumpun. The anesthetics were used to anesthetize the abdominal cavity of rats. After anesthetized rats were opened, the diaphragm was removed and blood was collected from the ventricles of the heart of the rats. 4 to 7 IU of heparin was added to the collected blood to prevent aggregation of the blood in the subsequent experiment.

혈액의 유속 측정 시, 혈액을 채취하여 적혈구 세포만을 염색하는 과정이 필요하다. 이를 위하여, 쥐로부터 혈액을 채취하는 과정이 선행된다. 따라서, 채취된 혈액을 원심분리기(centrifuge)를 이용하여 전혈로부터 적혈구 세포만을 분리하였다. 이때, 원심분리기의 온도는 18 내지 20℃, 그리고 1400 rpm에서 10분 동안 유지시킨 후에 브레이크-프리(break-free) 모드에서 원심분리기를 정지시켰다. When measuring the flow rate of blood, it is necessary to collect blood and stain only red blood cells. To this end, the process of collecting blood from the rats is preceded. Therefore, only the red blood cells were separated from the whole blood by using a centrifuge. At this time, the centrifuge was stopped in a break-free mode after maintaining the temperature of the centrifuge at 18 to 20 DEG C and 1400 rpm for 10 minutes.

채취된 혈액은 혈장 및 적혈구 세포로 층 분리되었고, 이후 혈장을 제거하였다. 적혈구 세포에 다시 PBS-EDTA(phosphate buffered saline with ethylenediaminetetraacetic acid)를 3배의 체적 비율로 희석하여 적혈구 세포를 세척하였다. 이러한 과정을 3회 반복하여 정제된 적혈구 세포를 획득하였다. 적혈구 세포에 형광 물질인 DiI (D282, molecular probe, lipophilic tracer, 100mg, Ex. 549nm, Em. 565nm)를 부착하기 위하여, PBS(Phosphate buffered saline)를 적혈구 세포에 총합 10 ml를 희석시키고 Dil 100 ul를 인큐베이팅하였다. The collected blood was separated into plasma and red blood cells, and then plasma was removed. Red blood cells were washed again with PBS-EDTA (3 times volume ratio) with phosphate buffered saline (ethylenediaminetetraacetic acid). This procedure was repeated three times to obtain purified erythrocyte cells. To attach the fluorescent material DiI (D282, molecular probe, lipophilic tracer, 100mg, Ex. 549nm, Em. 565nm) to red blood cells, 10ml of PBS (Phosphate buffered saline) Lt; / RTI >

이후, 형광 부착된 적혈구 세포를 얻기 위하여 세척 과정을 수행하였는 바, 18 내지 20℃의 원심분리기 온도, 그리고 1400 rpm에서 4분 동안 유지시킨 후에 브레이크-프리 모드에서 원심분리기를 정지시켰고, 세척 용액으로 PBS를 이용하였다. 총 2회 반복하여 정제된 형광 부착된 적혈구 세포를 획득하였다. Thereafter, a washing procedure was carried out to obtain fluorescently adhered red blood cells. The centrifuge was stopped in a brake-free mode after being maintained at a centrifuge temperature of 18 to 20 ° C and for 4 minutes at 1400 rpm, PBS was used. A total of 2 repetitions were performed to obtain purified fluorescently adhered red blood cells.

형광이 부착된 적혈구 세포와 동일한 체적 비율의 PBS를 희석하여 전체 혈액(whole blood)과 동일한 적혈구 용적율을 유지시켰다. 형광이 부착된 혈액과 전혈을 1 : 100의 체적비로 희석시켜 혼합 혈액(mixture blood)을 제조하였고, 이를 미세유체 채널로 흘려 유속을 측정하였다. PBS was diluted in the same volume ratio as the red blood cells to which the fluorescence was attached, thereby maintaining the same hematocrit as the whole blood. Fluorescent blood and whole blood were diluted at a volume ratio of 1: 100 to prepare mixture blood, which was flowed into the microfluidic channel to measure the flow rate.

본 실험에서는 약물 담체로서 10 nm 사이즈의 나노입자에 Cy 5.5를 부착시킨 입자를 사용하였으며, PBS에 1 mg/ml 농도의 입자 용액을 혈액과 1 : 100의 체적 비로 희석하였다. In this experiment, particles attached with Cy 5.5 to 10 nm nanoparticles as a drug carrier were diluted with PBS at a concentration of 1 mg / ml in a volume ratio of 1: 100.

미세유체 채널은 채널의 수직 단면적이 원형이 되도록 제작하였다. 본 실시예에서는 지름이 100 um의 원형 단면적을 갖는 단일 채널을 제작하였는 바, 이를 위하여 직경 100 um인 SUS(stainless) 와이어를 이용하였다. SUS 와이어를 지지할 수 있는 지그(jig)를 제작한 다음, 와이어를 고정시키고 PDMS 및 경화제를 10 : 1의 체적 비로 희석한 PDMS 희석액을 지그에 도포하였다. 이후, 80℃에서 120분 동안 경화시킨 후에 지그 및 SUS 와이어를 경화된 PDMS로부터 분리하였다. 이와 같은 방식으로 제작된 PDMS 몰드의 양 단부에 혈액 주입용 튜빙을 연결하는 유입구 및 배출구를 형성한 다음, PDMS 몰드의 하단부에 슬라이드 글라스(slide glass)를 공기 플라즈마(air plasma)에 의하여 부착시켜 수직 단면적이 원형인 미세유체 채널을 제작하였다.The microfluidic channels were fabricated such that the vertical cross section of the channel was circular. In this embodiment, a single channel having a circular cross-sectional area of 100 μm was fabricated. SUS (stainless) wire having a diameter of 100 μm was used for this purpose. A jig capable of supporting the SUS wire was prepared, and a PDMS dilution solution in which the wire was fixed and the PDMS and the curing agent were diluted with a volume ratio of 10: 1 was applied to the jig. Thereafter, the jig and the SUS wire were separated from the cured PDMS after curing at 80 DEG C for 120 minutes. An inlet and an outlet for connecting the tubing for blood injection are formed at both ends of the PDMS mold manufactured in this manner, and a slide glass is attached to the lower end of the PDMS mold by an air plasma to form a vertical A microfluidic channel with a circular cross section was fabricated.

형상 파라미터(α) 값의 경우, 도 11a 및 도 11b에 나타낸 바와 같이, 형광 현미경을 설치한 후, 미세유체 채널에 혈액을 흘려주었고, 형광 신호를 실시간으로 측정하여 세포 희박층(CFL)에서 형광 신호의 상대적 크기를 계산하여 예측하였다.In the case of the shape parameter (alpha) value, as shown in FIGS. 11A and 11B, blood was flown through the microfluidic channel after the fluorescence microscope was installed. Fluorescence signals were measured in real- The relative size of the signal was calculated and predicted.

(2) 형상 파라미터(α) 값에 따른 세포 및/또는 약물 (2) cells and / or drugs 담체의Carrier 분포 특성 분석 Analysis of distribution characteristics

도 5에 예시된 바와 같이, 혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴에 전술한 생체 외 분석 장치로부터 도출된 흐름 정보를 적용하여 세포 및/또는 약물 담체 분포 특성을 평가하였다. As illustrated in FIG. 5, flow information from the above-described in vitro analyzer was applied to a mass transfer simulation tool of a blood vessel to evaluate cell and / or drug carrier distribution characteristics.

이와 관련하여, 도 12a는 α=0.2인 경우에 있어서, 모 혈관으로부터 2개의 혈관이 분지되는 단일 분지 부위에서의 적혈구 세포 및 약물 담체의 재분포에 대한 개략적 선도를 나타낸다. 상기 도면에 따르면, 모 혈관 및 2개의 분지 혈관의 직경은 각각 40 ㎛, 33 ㎛ 및 30.38 ㎛이다. 3개의 미세혈관의 유속은 각각 0.01 mm3/s, 0.007 mm3/s 및 0.003 mm3/s이다. 모 혈관에 있어서, 적혈구 용적율(H 0 ) 및 약물 담체의 농도(C 0 )는 전체 혈액 체적의 45% 및 1%에 상당한다. 미세혈관 내 전달에 있어서, 플라즈마 스키밍 현상에 의하여 적혈구 세포의 농도는 보다 큰 분지 혈관에서는 증가하는 반면, 보다 작은 혈관에서는 감소한다. 2개의 분지 혈관 내에서의 적혈구 용적율의 변화는 수학식 17' 내지 19'에 의하여 산출되었다. 전술한 바와 같이, 드리프트 파라미터(M)는 5.25로 고정되었다.In this regard, FIG. 12A shows a schematic diagram of the redistribution of red blood cells and drug carrier at a single branch site where two blood vessels are branched from the parent blood vessel in the case of? = 0.2. According to the figure, the diameters of the parent blood vessel and the two branch blood vessels are 40 mu m, 33 mu m, and 30.38 mu m, respectively. The flow rates of the three microvessels are 0.01 mm 3 / s, 0.007 mm 3 / s, and 0.003 mm 3 / s, respectively. In maternal blood vessels, the hematocrit ( H 0 ) and the drug carrier concentration ( C 0 ) correspond to 45% and 1% of the total blood volume. In microinvasive transmission, the plasma skimming phenomenon increases the concentration of red blood cells in the larger branch vessels, while it decreases in smaller vessels. The change in hematocrit in the two branch vessels was calculated by the following equations (17 ') - (19'). As described above, the drift parameter ( M ) was fixed at 5.25.

도 12b는 2개의 분지된 미세혈관에서의 적혈구 용적율을 산출하기 위한

Figure 112016079718553-pat00046
곡선이다(α=0). 주어진 조건 하에서, 적혈구 용적율은 도 11b에 나타낸 곡선에 기초하여 변화한다. 보다 큰 분지 혈관 내 적혈구 용적율은 45.56%로 증가하는 반면, 보다 작은 분지 혈관 내 적혈구 용적율은 44.15%로 감소한다. 단일 분지에 있어서, 2개의 분지 혈관 내에서의 약물 담체의 농도 변화는 수학식 20 내지 23에 의하여 예측되었다. 도 10과 관련하여 설명한 바와 같이, α=0.2에서 약물 담체는 적혈구 세포 코어 영역에 농축되어 있다. 따라서, 약물 담체의 농도 변화는 혈액의 적혈구 용적율과 동일한 경향을 나타내는 것으로 판단된다.FIG. 12B is a graph for calculating the hematocrit ratio in two branched microvessels
Figure 112016079718553-pat00046
(A = 0). Under given conditions, the hematocrit ratio changes based on the curve shown in FIG. 11B. The greater basal vascular erythrocyte volume rises to 45.56%, while the smaller basal vascular hematocrit decreases to 44.15%. In a single branch, the change in the concentration of the drug carrier in two branch vessels was predicted by equations (20) to (23). As described in connection with FIG. 10, at alpha = 0.2, the drug carrier is concentrated in the red blood cell core region. Therefore, it is judged that the concentration change of the drug carrier shows the same tendency as the hematocrit ratio of the blood.

도 12c는 2개의 분지된 미세혈관에서의 약물 담체의 농도를 산출하기 위한

Figure 112016079718553-pat00047
곡선이다(α=0.2). 도 12a를 참고하면, 보다 큰 분지 혈관의 농도(C 1 )는 1.01%로 증가한 반면, 보다 작은 혈관의 농도(C 2 )는 0.98%로 감소하였다. 이처럼, 농도 변화는 예상되는 바와 같이 적혈구 용적율 변화의 경향을 따른다. FIG. 12C is a graph showing the concentration of the drug carrier in two branched microvessels
Figure 112016079718553-pat00047
Curve (α = 0.2). Referring to FIG. 12A, the larger branch vessel concentration ( C 1 ) increased to 1.01%, while the smaller vessel concentration ( C 2 ) decreased to 0.98%. Thus, the concentration change follows the trend of the change in the hematocrit as expected.

도 12a 내지 도 12c에 따른 결과를 전체적으로 고려하면, 낮은 형상 파라미터(α) 값에서는 약물 담체가 모 혈관의 적혈구 세포 코어 영역에 존재하고, 분지 후에는 적혈구 세포 및 약물 담체는 2개의 분지 혈관 내에서 재분포됨을 알 수 있다.Considering the results according to Figs. 12A to 12C as a whole, the drug carrier is present in the red blood cell core region of the mother blood vessel at the low shape parameter (alpha) value, and the red blood cell and the drug carrier after branching are present in two branch veins Redistribution.

한편, 도 13a는 α=0.8인 경우, 모 혈관로부터 2개의 혈관이 분지되는 단일 분지 부위에서의 적혈구 세포 및 약물 담체의 재분포에 대한 개략적 선도를 나타낸다. α=0.8인 경우, 약물 담체의 초기 농도는 적혈구 세포 코어 영역에서 낮은 반면, 세포-희박 층 영역에서는 높다. 이는 약물 담체가 적혈구 세포 코어 영역으로부터 세포-희박 층 영역으로 용이하게 이동하는 것을 의미한다. 그 다음, 분지 부위에서의 플라즈마 스키밍 현상으로 인하여 약물 담체는 보다 작은 분지 혈관 내에서 축적된다. 결과적으로, 보다 큰 분지 혈관 내에서 약물 담체의 농도는 감소하는 반면, 보다 작은 분지 혈관에서는 증가하게 된다.On the other hand, FIG. 13A shows a schematic diagram of redistribution of red blood cells and drug carrier at a single branch site where two blood vessels are branched from the parent blood vessel when? = 0.8. When α = 0.8, the initial concentration of the drug carrier is low in the red blood cell core region, while it is high in the cell-lean layer region. This means that the drug carrier easily migrates from the red blood cell core region to the cell-lean layer region. Then, due to the plasma skimming phenomenon at the branch site, the drug carrier accumulates in smaller branch vessels. As a result, the concentration of the drug carrier in the larger branch vessel decreases while it increases in the smaller branch vessels.

도 13b는 2개의 분지된 미세혈관에서의 적혈구 용적율을 산출하기 위한

Figure 112016079718553-pat00048
곡선이고(α=0), 도 13c는 2개의 분지된 미세혈관에서의 약물 담체의 농도를 산출하기 위한
Figure 112016079718553-pat00049
곡선이다(α=0.8).13B is a graph showing the relationship between the hematocrit
Figure 112016079718553-pat00048
(A = 0), and Fig. 13C is a graph showing the concentration of the drug carrier in two branched microvessels
Figure 112016079718553-pat00049
Curve (α = 0.8).

상기 도면에 나타낸 바와 같이,

Figure 112016079718553-pat00050
는 직경 변화(A i /A 0 )에 비례한다. 이와 달리, 더 큰 분지 혈관 내에서 약물 담체의 농도 변화는 직경 변화(A i /A 0 )에 반비례한다. 더 큰 분지 혈관 내에서의 약물 담체의 농도(C 1 )는 C 0 =0.1%인 것과 비교하면 0.93%로 감소한다. 또한, 보다 작은 분지 혈관 내에서 약물 담체의 농도(C 2 )는 1.14%로 증가한다.As shown in the figure,
Figure 112016079718553-pat00050
Is proportional to the diameter change ( A i / A 0 ). Conversely, the change in the concentration of the drug carrier in the larger branch vessel is inversely proportional to the change in diameter ( A i / A 0 ). The concentration ( C 1 ) of the drug carrier in the larger branch vein is reduced to 0.93% as compared to C 0 = 0.1%. Also, the concentration of drug carrier ( C 2 ) in the smaller branch vessel increases to 1.14%.

도 13a 내지 도 13c에 따른 결과를 종합하면, 높은 형상 파라미터(α) 값에서 약물 담체가 모 혈관의 세포-희박 층 영역에 잔류하는 경향을 갖고, 분지 후에 적혈구 세포 및 약물 담체는 2개의 분지 혈관 내에서 재분포됨을 알 수 있다.13A to 13C, it can be seen that the drug carrier has a tendency to remain in the cell-lean layer region of the parent blood vessel at a high shape parameter value, and after branching, the red blood cell and the drug carrier are separated into two branch blood vessels It can be seen that it is redistributed within.

(3) 형상 파라미터(α) 및 (3) The shape parameters (?) And 드리프트Drift 파라미터( parameter( MM )에 의한 영향 분석)

단일 분지 모델과 관련하여, 형상 파라미터(α)가 분지 부위에서 약물 담체의 재분포에 미치는 영향을 도 14a에 나타내었다. 상기 그래프에서는 3개의 형상 파라미터(α) 값(0.2, 0.5 및 0.8)에 대하여 테스트를 수행하였다.With respect to the single branching model, the effect of the shape parameter (?) On the redistribution of the drug carrier at the branch site is shown in Fig. 14a. In the graph, tests were performed on three shape parameter values (0.2, 0.5, and 0.8).

도시된 바에 따르면, 2개의 분지 혈관에 대한 α=0.5에서의 농도 변화는 0인 바, 이는 약물 담체가 미세혈관 내에서 균일하게 분포되어 있음을 의미한다. α=0.2인 경우, 약물 담체의 농도는 보다 큰 분지 혈관 내에서 2% 정도 증가하였으나, 보다 작은 분지 혈관에서는 5% 정도 감소하였다. 반면, α=0.8인 경우, 약물 담체의 농도는 보다 큰 분지 혈관 내에서 7% 정도 감소하였으나, 보다 작은 분지 혈관에서는 14% 정도 증가하였다.As shown, the concentration change at? = 0.5 for two branch vessels is zero, which means that the drug carrier is uniformly distributed in the microvessels. In the case of α = 0.2, the concentration of the drug carrier increased by 2% in the larger branch vessel but decreased by 5% in the smaller branch vessel. On the other hand, when α = 0.8, the drug carrier concentration decreased by 7% in the larger branch vessels but increased by 14% in the smaller branch vessels.

도 14b는 단일 분지 모델에 있어서 α=0.2인 경우에 분지 부위에서 약물 담체의 재분포에 대한 드리프트 파라미터(M)의 영향을 나타내는 그래프이다. 상기 그래프에 있어서, 3개의 드리프트 파라미터(M) 값(3, 5.25 및 8)에 대하여 테스트를 수행하였다.14B is a graph showing the influence of the drift parameter ( M ) on the redistribution of the drug carrier at the branch site when? = 0.2 in the single branch model. In the graph, a test was performed on three drift parameter ( M ) values (3, 5.25 and 8).

드리프트 파라미터(M) 값이 낮은 경우, 분지 혈관 내 약물 담체의 농도 변화가 큰 반면, M 값이 높은 경우에는 적혈구 세포와 플라즈마가 잘 섞여 있다. 즉, M=3 또는 낮은 M에서는 분리된 적혈구 세포 코어 영역 및 세포-희박 층 영역이 약물 담체의 분포를 변화시켰음을 알 수 있다. 반면, M=8인 경우, 잘 섞여 있는 혈액이 약물 담체의 분포를 안정화시킴을 알 수 있다.When the drift parameter ( M ) is low, the concentration of the drug carrier in the branch vessel is large. On the other hand, when the M value is high, the red blood cell and the plasma are well mixed. That is, in the case of M = 3 or low M , it can be seen that the separated erythrocyte core region and the cell-lean layer region changed the distribution of the drug carrier. On the other hand, when M = 8, well-mixed blood stabilizes the distribution of the drug carrier.

(4) 혈관 내에서의 약물 (4) Intravascular drug 담체의Carrier 플라즈마plasma 스키밍Skimming 영향 effect

앞서 설명한 바와 같이, 적혈구 세포 및 약물 담체에 대한 일반화된 플라즈마 스키밍 모델은 미세혈관 네트워크(단일 분지가 아님) 내에서 이의 분포를 예측하는데 적용된다. 예를 들면, 약 60 ㎛ 직경의 루트 혈관으로부터, 혈관 세그먼트는 β가 25이면서 직경이 10 ㎛ 이하로 감소될 때까지 10회 분지된다. 경계 조건으로서 유입 루트 혈관과 출구 모세관 단부 간에 50 mmHg 압력 강하가 발생하였다. 적혈구 용적율 분포를 계산하기 위하여, 드리프트 파라미터(M)는 5.25로 고정되었다. 루트 혈관 내의 초기 적혈구 용적율은 0.45이었다,As described above, a generalized plasma skimming model for red blood cells and drug carriers is applied to predict its distribution within a microvascular network (not a single branch). For example, from a root vessel of approximately 60 [mu] m diameter, the vascular segment is branched 10 times until [beta] is 25 and the diameter is reduced to 10 [mu] m or less. As a boundary condition, a pressure drop of 50 mmHg occurred between the inflow root vessel and the exit capillary end. In order to calculate the hematocrit ratio distribution, the drift parameter ( M ) was fixed at 5.25. The initial hematocrit in the root vessel was 0.45,

도 15는 도 5에서 예시된 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴(모델)을 적용하여 혈관 직경에 따른 적혈구 용적율의 분포 및 혈액 유속을 나타내는 그래프이다. FIG. 15 is a graph showing the distribution of hematocrit and the blood flow rate according to the diameter of blood vessels by applying a modeling tool (model) for mass transfer of the micro blood vessels illustrated in FIG.

상기 도면에 따르면, 루트 혈관 내에서의 초기 적혈구 용적율과 달리, 플라즈마 스키밍으로 인하여 적혈구 용적율은 상당히 변화하였다. 모세관 단부에서는 혈액 적혈구 용적율 범위가 0.35 내지 0.5이었다. 또한, 적혈구 용적율 및 생체 내(in vivo) 점도 법칙에 근거하여, 혈액 유속은 직경을 따라 계산되고 플로팅되었는 바, 체적 유속은 혈관 직경에 비례함을 알 수 있다. According to the figure, unlike the initial erythrocyte volume rate in the root vessels, the hematocrit was significantly changed due to plasma skimming. The hematocrit ratio ranged from 0.35 to 0.5 at the capillary end. In addition, the hematocrit and the in vivo ( in Based on the vivo viscosity law, the blood flow is calculated and plotted along the diameter, and the volumetric flow rate is proportional to the vessel diameter.

미세혈관에서의 혈액 전달에 있어서, 약물 담체의 분포는 수학식 20 내지 23에 의하여 예측 가능하다. 약물 담체의 초기 체적 분율은 0.01이었고, 도 16에 도시된 바와 같이 3개의 형상 파라미터(α) 값(각각 0.2, 0.5 및 0.8)을 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴(전산 모델)과 결합하여 미세혈관 및 주변 조직 내에서 세포 및/또는 약물 담체의 전달 효율을 예측하였다. 상기 도면에 따르면, 형상 파라미터(α) 값이 낮은 경우(α=0.2)에는 약물 담체가 혈관의 적혈구 세포 코어 영역에 주로 위치하므로 혈관 외부(또는 주변 조직)에서 관찰되는 약물 담체의 분포는 상대적으로 낮다. 반면, 형상 파라미터(α) 값이 높은 경우(α=0.8)에는 약물 담체의 대부분이 세포-희박 층 영역에 분포한 결과, 혈관 외부(또는 주변 조직)에서 관찰되는 약물 담체의 분포는 상대적으로 높다. For blood transfer in microvessels, the distribution of the drug carrier can be predicted by equations (20) to (23). The initial volume fraction of the drug carrier was 0.01 and the three shape parameter values (0.2, 0.5, and 0.8, respectively) were combined with a mass transfer simulation tool (computational model) of microvessels as shown in Fig. 16, And the delivery efficiency of cells and / or drug carriers in the surrounding tissues. According to this figure, when the shape parameter (alpha) value is low (alpha = 0.2), the drug carrier is mainly located in the red blood cell core region of the blood vessel, so that the distribution of the drug carrier observed outside the blood vessel low. On the other hand, when the shape parameter (alpha) value is high (alpha = 0.8), the majority of the drug carrier is distributed in the cell-lean layer region, resulting in a relatively high distribution of drug carriers observed outside the blood vessel .

또한, 도 17a 내지 도 17c 각각은 3개의 형상 파라미터(α) 값(α=0.2, α=0.5 및 α=0.8)에 대하여 수학식 20 내지 23에 의하여 산출된 미세혈관 내 약물 담체의 분포를 나타내는 그래프이다.17A to 17C show the distribution of the drug carriers in the microvascular system calculated by the equations (20) to (23) for three shape parameter values (alpha = 0.2, alpha = 0.5 and alpha = 0.8) Graph.

도시된 바에 따르면, 형상 파라미터(α) 값이 작거나 보다 많은 약물 담체가 적혈구 세포 코어 영역에 분포할 경우에는 약물 담체는 작은 편차를 두고 모세혈관계 내에 분포되었다. 반면, 형상 파라미터(α) 값이 크거나, 보다 많은 약물 담체가 세포-희박 층 영역에 존재할 경우, 약물 담체는 큰 편차(구체적으로 0.007 내지 0.017)를 두고 모세혈관계 내에 축적되었다. 상술한 시뮬레이션 결과로부터 큰 사이즈의 루트 혈관의 세포-희박 층 영역 내에서 다량으로 축적된 약물 담체는 혈액의 플라즈마 스키밍 현상을 통하여 신속하게 모세관 단부로 이동할 수 있는 것으로 예상된다. 모세혈관계 내 약물 담체의 평균 축적 정도를 정량적으로 평가하기 위하여, 평균 체적 분율은 하기 수학식 24로 정의될 수 있다.As shown, when the shape parameter (alpha) value is small or more and the drug carrier is distributed in the red blood cell core region, the drug carrier is distributed in the capillary system with small deviation. On the other hand, when the shape parameter (?) Value is large, or when more drug carriers are present in the cell-lean layer region, the drug carriers have accumulated in the capillary system with large deviations (specifically 0.007 to 0.017). From the above simulation results, it is expected that a large amount of drug carrier accumulated in the cell-lean layer region of the root vessel of a large size can rapidly move to the capillary end through the plasma skimming phenomenon of blood. In order to quantitatively evaluate the average accumulation degree of the drug carrier in the capillary system, the average volume fraction can be defined by the following equation (24).

Figure 112016079718553-pat00051
Figure 112016079718553-pat00051

여기서,

Figure 112016079718553-pat00052
는 약물 담체의 평균 체적 분율이고, n cap 은 직경이 10 ㎛ 미만인 미세혈관의 총 개수이다. 체적 분율의 상대적 편차는
Figure 112016079718553-pat00053
로서, 여기서 C 0 는 약물 담체의 초기 체적 분율이다. 상기 예에서 C 0 는 0.01이다. here,
Figure 112016079718553-pat00052
Is the average volume fraction of the drug carrier, and n cap is the total number of microvessels having a diameter of less than 10 [mu] m. The relative deviation of the volume fraction
Figure 112016079718553-pat00053
, Where C 0 is the initial volume fraction of the drug carrier. In the above example, C 0 is 0.01.

도 18은 미세혈관계에 있어서 형상 파라미터(α) 값의 변화에 따른 약물 담체의 농도 변화를 나타내는 그래프이다. 이때, 형상 파라미터(α) 값은 0.2에서 0.8까지의 범위에서 변화하고, 루트 혈관 내 약물 담체의 초기 농도는 거대순환계에서의 초기 농도와 동일한 것으로 가정한다. 상기 그래프에 따르면, 형상 파라미터(α) 값이 증가함에 따라 모세혈관계 내 약물 담체의 평균 축적율은 초기 체적 분율의 10%까지 선형적으로 증가함을 알 수 있다.18 is a graph showing the change in the concentration of the drug carrier according to the change of the shape parameter (?) Value in the microvessel system. At this time, it is assumed that the shape parameter (alpha) value varies from 0.2 to 0.8, and that the initial concentration of the drug carrier in the root vessel is equal to the initial concentration in the macrocirculation system. According to the graph, it can be seen that as the shape parameter (α) value increases, the average accumulation rate of the drug carrier in the capillary system increases linearly to 10% of the initial volume fraction.

도 19a 내지 도 19c 각각은 3개의 형상 파라미터(α) 값(α=0.2, α=0.5 및 α=0.8)에 있어서, 미세혈관계 내 혈관 직경 및 적혈구 용적율과 함께 약물 담체의 농도를 나타낸다.Each of Figures 19A-19C shows the concentration of the drug carrier with the vessel diameter and hematocrit in the microvessel system for three shape parameter values (alpha = 0.2, alpha = 0.5 and alpha = 0.8).

상기 그래프에서 나타난 바에 따르면, 적혈구 용적율 및 직경과 관련한 미세혈관 네트워크 내 약물 담체의 재분포 특성을 도시한다. 이때, α=0.2에서 약물 담체의 체적 분율은 거의 변화하지 않았다. 그러나, 도 19c에 나타난 바와 같이, α=0.8의 경우, 높은 적혈구 용적율을 나타내었고, 작은 직경의 혈관에서는 약물 담체의 체적 분율이 유의미한 수준으로 증가하였다. 이처럼, 미세혈관 내 약물 담체의 농도는 혈액의 플라즈마 스키밍 현상에 의하여 상당히 변화함을 알 수 있다. As shown in the graph, the redistribution characteristics of the drug carrier in the microvascular network with respect to the hematocrit and the diameter are shown. At this time, the volume fraction of the drug carrier hardly changed at? = 0.2. However, as shown in Fig. 19C, when α = 0.8, the hematocrit was high, and the volume fraction of the drug carrier in the small diameter blood vessels increased to a significant level. Thus, it can be seen that the concentration of the drug carrier in the microvessels varies significantly due to the plasma skimming phenomenon of the blood.

먼저, 단일 분지의 경우, 적혈구 세포 및 약물 담체의 재분포는 2개의 형상 파라미터(α) 값에서 산출되었다. 구체적으로, 파라미터(α) 값이 0.2인 경우에는 약물 담체가 적혈구 세포 코어 영역에 농축되어 있음을 나타내는 반면, 파라미터(α) 값이 0.8인 경우에는 세포-희박 층 영역에 농축되어 있다. 그 다음, 미세혈관 내에서의 약물 담체의 농도를 예측하기 위하여 일반화된 플라즈마 스키밍 모델을 적용한다. 또한, 약물 담체의 재분포는 전체 미세혈관 내에서의 적혈구 용적율 및 이의 단면적 분포와 관련된다. First, in the case of a single branch, the redistribution of red blood cells and drug carriers was calculated from two shape parameter values. Specifically, when the value of the parameter (alpha) is 0.2, the drug carrier is concentrated in the red blood cell core region, while when the value of the parameter (alpha) is 0.8, it is concentrated in the cell-lean layer region. Next, a generalized plasma skimming model is applied to predict the drug carrier concentration in microvessels. In addition, redistribution of the drug carrier is related to the hematocrit and the cross-sectional distribution thereof in the entire microvessels.

따라서, 타겟 부위(구체적으로, 타겟 질환 부위)에 대한 미세혈관 환경에 관한 특정 파라미터가 주어질 경우, 이러한 시뮬레이션, 구체적으로 형상 파라미터(α)로 언급되는 약물 담체의 단면 분포를 선택하는 것에 의하여 약물 담체의 설계 시 일종의 가이드라인으로 적용할 수 있다. 이와 같은 가이드 기능을 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.Thus, given the specific parameters of the microvascular environment for the target site (specifically, the target disease site), this simulation, specifically by selecting the cross-sectional distribution of the drug carrier referred to as the shape parameter alpha, Can be applied as a kind of guideline in the design of. This guide function will be described in more detail as follows.

실험을 통하여 약물의 전달 효율이 미세혈관 환경과 밀접한 관련성이 있다는 점을 확인할 수는 있으나, 이를 근거로 특정 미세환경을 타겟으로 하는 약물 담체를 설계하는 것은 용이하지 않다. 이에 대하여, 본 개시 내용에서는 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴을 일반화된 플라즈마 스키밍 모델과 결합함으로써 약물 담체의 전달 효율을 평가할 수 있는 예측 툴을 구현할 수 있다. Although it is confirmed through experiments that the drug delivery efficiency is closely related to the microvascular environment, it is difficult to design a drug carrier targeting a specific microenvironment. In contrast, in the present disclosure, a predictive tool capable of evaluating the delivery efficiency of a drug carrier can be implemented by combining a microvascular mass transfer simulation tool with a generalized plasma skimming model.

상술한 시뮬레이션 테스트에 있어서, 형상 파라미터(α)는 약물 담체가 모세혈관계 내에서 빠르게 축적되는지 여부를 예측하는 지표로 작용할 수 있다. 도 18에 플로팅된 결과를 참고하면, 파라미터(α) 값이 0.3 미만인 경우에는 약물 담체의 농도가 거대순환계에 비하여 감소됨을 확인할 수 있다(즉, 약물 담체가 혈관계 중 미세혈관 또는 모세혈관을 통하여 이동하는 것이 용이하지 않음). 반면, 파라미터(α) 값이 0.3으로부터 증가할수록 약물 담체가 혈관계 중 미세혈관 또는 모세혈관을 통하여 용이하게 이동할 수 있게 된다. 따라서, 약물 담체의 형상 파라미터(α)에 의하여 모세혈관계 내에서의 축적량을 증가시키기 위한 가이드라인을 제공할 수 있는 것이다. 상기 예에 있어서, 지표가 되는 형상 파라미터(α) 값은 0.3이다.In the above-described simulation test, the shape parameter? Can serve as an index for predicting whether the drug carrier accumulates rapidly in the capillary blood vessel system. Referring to the result plotted in FIG. 18, it can be confirmed that the concentration of the drug carrier is decreased as compared with that of the macrocyclic system when the value of the parameter (alpha) is less than 0.3 (i.e., when the drug carrier is transported through the microvascular or capillary blood vessels It is not easy to do). On the other hand, as the value of the parameter (alpha) increases from 0.3, the drug carrier can easily move through the microvascular or capillary blood vessels in the vascular system. Therefore, it is possible to provide a guideline for increasing the accumulation amount in the capillary system by the shape parameter? Of the drug carrier. In the above example, the value of the shape parameter (alpha) to be the index is 0.3.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

Claims (22)

미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물의 전달 효율을 정량화하는 방법으로서,
a) 혈관계 중 임의의 혈관 세그먼트를 모사하는 미세유체 디바이스의 미세유체 채널 내로 혈액 및 약물 담체를 포함하는 혈액 혼합물을 통과시키는 단계;
b) 검출 장치가 구비된 생체 외(in vitro) 분석 장치를 통하여, 상기 단계 a)에서 미세유체 채널을 통과하는 혈액 혼합물의 흐름 거동을 분석하여 모사하고자 하는 혈관 내 흐름 정보를 획득하는 단계, 여기서 혈관 내 흐름 정보는 유속(flow rate), 적혈구 용적율(hematocrit) 및 약물 담체(drug carrier)의 농도를 포함함; 및
c) 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴, 그리고 상기 생체 외 분석 장치로부터 획득한 혈관 내 흐름 정보를 이용하여 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물 담체의 농도 분포를 예측하는 단계;
를 포함하고,
상기 단계 b)는 상기 미세유체 채널 내에서의 세포 및/또는 약물 담체의 단면적 농도 분포에 관한 분포-형상 파라미터(α)를 산출하는 단계를 포함하며, 그리고
상기 단계 c)는 하기 수학식 20 내지 23에 의하여 표시되는 세포 및 약물 담체에 대한 일반화된(generalized) 플라즈마 스키밍 모델을 기반으로 하되, 상기 산출된 분포-형상 파라미터(α) 및 상기 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴을 이용하여 특정 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물의 분포를 예측하는 단계를 포함하는 방법:
Figure 112018072314549-pat00054

여기서, C는 세포 또는 약물 담체의 농도이고, Q는 유속이며,
Figure 112018072314549-pat00055
은 농도 변화 계수이고, α는 미세혈관 내 C의 단면적 분포에 대한 형상 파라미터이고, M은 드리프트 파라미터(drift parameter)이고, A는 각각의 혈관의 단면적이고, 아래 첨자 0, 1 및 2는 각각 모 혈관(parent vessel) 및 2개의 분지된 혈관(daughter vessels)을 지시하며, 그리고 i는 1 및 2의 정수임.
A method for quantifying the delivery efficiency of cells and / or drugs in microvessels and surrounding tissues,
a) passing a blood mixture comprising blood and a drug carrier into a microfluidic channel of a microfluidic device that replicates any of the vascular segments of the vasculature;
b) analyzing the flow behavior of the blood mixture passing through the microfluidic channel in step a) through an in vitro analyzer equipped with a detection device to obtain intravascular flow information to be simulated, wherein Intravascular flow information includes flow rate, hematocrit and concentration of drug carrier; And
c) simulating a mass transfer of a microvessel; and estimating the concentration distribution of cells and / or drug carriers in the microvessels and surrounding tissues using the intravascular flow information obtained from the ex vivo analyzing apparatus;
Lt; / RTI >
Wherein said step b) comprises the step of calculating a distribution-shape parameter (alpha) about the cross-sectional area concentration distribution of the cells and / or drug carrier in said microfluidic channel, and
The step c) is based on a generalized plasma skimming model for cells and drug carriers represented by the following equations (20) to (23), wherein the calculated distribution-shape parameter (?) And the material The method comprising predicting the distribution of cells and / or drugs within a particular microvessel and surrounding tissue using a delivery simulation tool:
Figure 112018072314549-pat00054

Where C is the concentration of the cell or drug carrier, Q is the flow rate,
Figure 112018072314549-pat00055
Is the concentration variation coefficient, α is the shape parameter for the cross-sectional area distribution of C microvascular, M is the drift parameter (drift parameter), and, A is and cross-section of each vessel, the subscripts 0, 1, and 2 are each parent A parent vessel and two daughter vessels, and i is an integer of 1 and 2.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 임의의 혈관 세그먼트는 루트 혈관(root vessel)으로부터 선택되거나 유래된 세그먼트인 것을 특징으로 하는 방법.2. The method of claim 1, wherein the optional vessel segment is a segment selected or derived from a root vessel. 제1항에 있어서, 상기 혈액 혼합물은 혈액 70 내지 99.99 체적% 및 약물 담체 0.01 내지 30 체적%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.2. The method of claim 1, wherein the blood mixture comprises 70 to 99.99 vol% of blood and 0.01 to 30 vol% of the drug carrier. 제1항에 있어서, 상기 혈액 혼합물은 형광 물질 또는 형광 프로브를 더 포함하며, 상기 단계 b)는 미세유체 채널을 통과하는 혈액 혼합물의 형광 특성에 기반한 이미지 프로세스에 의하여 상기 미세유체 채널 내에서의 세포 및/또는 약물 담체의 단면적 농도 분포에 관한 형상 파라미터(α)를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the blood mixture further comprises a fluorescent material or a fluorescent probe, and wherein step b) is performed by an imaging process based on the fluorescence properties of the blood mixture passing through the microfluidic channel, And / or a shape parameter (alpha) relating to a cross-sectional area concentration distribution of the drug carrier. 제1항에 있어서, 상기 약물 담체는 나노에서 마이크로 사이즈 입자인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the drug carrier is micro-sized particles at the nano. 제8항에 있어서, 상기 약물 담체는 10 μm 이하의 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 8, wherein the drug carrier has a size of less than or equal to 10 μm. 제7항에 있어서, 상기 형광 물질 또는 형광 프로브는 상기 약물 담체의 표면 상에서 공유적 또는 비공유적으로 결합 또는 고정된 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.8. The method of claim 7, wherein the fluorescent substance or fluorescent probe is present in a form covalently or non-covalently bonded or immobilized on the surface of the drug carrier. 제1항에 있어서, 상기 약물 담체는,
무기계 담체로서 중다공성 실리카 나노입자, 코어-쉘 구조를 갖는 실리카계 나노입자, II족-VI족 나노입자 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되거나; 또는
유기계 담체로서 탄소계 나노입자, 고분자계 나노입자 및 이의 조합으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
The drug delivery system according to claim 1,
Silica-based nanoparticles having a core-shell structure, Group II-VI nanoparticles, and combinations thereof, as the inorganic carrier; or
Wherein the organic carrier is selected from carbon-based nanoparticles, polymer-based nanoparticles, and combinations thereof.
제1항에 있어서, 상기 미세유체 채널의 폭 또는 직경은 1 내지 100 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the width or diameter of the microfluidic channel is in the range of 1 to 100 [mu] m. 제1항에 있어서, 상기 미세유체 채널은, 폴리에스테르, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리스틸렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리우레탄, 폴리비닐리덴플루오라이드, 나일론, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리비닐클로라이드(PVC), 사이클릭올레핀 공중합체(COC), 액정 고분자(LCP), 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리(페닐렌 에테르) (PPE), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리에테르 설폰(PES), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 아크릴 계통의 수지, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재질인 것을 특징으로 하는 방법.The microfluidic channel according to claim 1, wherein the microfluidic channel is made of a material selected from the group consisting of polyester, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyimide (PI), polystyrene (PS), polycarbonate (PC), polyurethane, (PM), polyvinyl chloride (PVC), cyclic olefin copolymer (COC), liquid crystal polymer (LCP), polyamide (PA), polyimide Polyetheretherketone (PEEK), polyether sulfone (PES), polytetrafluoroethylene (PTFE), acryl-based resins, polydimethylsiloxane (PDMS) ≪ / RTI > and combinations thereof. 제13항에 있어서, 상기 미세유체 채널은 원형(circular) 또는 사각형(rectangular) 형상의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.14. The method of claim 13, wherein the microfluidic channel has a circular or rectangular cross-section. 제14항에 있어서, 상기 미세유체 채널은 유리 모세혈관, 스테인레스 스틸 로드 또는 나일론 스레드(theread) 주형의 주위에 PDMS를 캐스팀함으로써 원형 또는 사각형 형상의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.15. The method of claim 14, wherein the microfluidic channel has a circular or rectangular cross-section by cascading PDMS around a glass capillary, a stainless steel rod, or a nylon thread mold. 제7항에 있어서, 상기 형광 물질 또는 형광 프로브는 엄벨리페론(umbelliferone), 플루오레신(fluorescein), 플루오레신이소티오시아네이트(fluorescein isothiocyanate; FITC), 로다민(rhodamine), 탐라(TAMRA), 디클로로트리아지닐아민플루오레신(dichlorotriazinylamine fluorescein), 단실클로라이드(dansyl chloride), 양자점(quantum dots), 피코에리스린(phycoerythrin), 플루오세인계(fluorescein), 알렉사 플로어계(alexa fluor) 및 시아닌계(cyanine) 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 7, wherein the fluorescent substance or fluorescent probe is selected from the group consisting of umbelliferone, fluorescein, fluorescein isothiocyanate (FITC), rhodamine, TAMRA ), Dichlorotriazinylamine fluorescein, dansyl chloride, quantum dots, phycoerythrin, fluorescein, alexa fluor and cyanine Cyanine, and combinations thereof. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI > 제16항에 있어서, 상기 형광 물질 또는 형광 프로브로부터 기인하는 형광은 형광 현미경에 의하여 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.17. The method according to claim 16, wherein the fluorescence originating from the fluorescent substance or the fluorescent probe is detected by a fluorescence microscope. 제1항에 있어서, 상기 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴은 하기 수학식 17' 내지 19'로 표시되는 플라즈마 스키밍에 따른 혈관계 내 적혈구 세포의 분포 및 혈액 흐름 특성을 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 방법:
Figure 112018072314549-pat00056

여기서, H0 , H1 H2 는 각각 모 혈관 및 2개의 분지된 혈관에서의 적혈구 용적율이고,
Figure 112018072314549-pat00057
는 플라즈마 스키밍에 의한 적혈구 용적율 변화 계수이고, Q0 , Q1 Q2 는 각각 모 혈관 및 2개의 분지된 혈관에서의 유속이며, 그리고 A0 , A1 A2 는 각각 모 혈관 및 2개의 분지된 혈관에서의 단면적을 의미함.
The method according to claim 1, wherein the microvessel mass transfer simulation tool is based on distribution of blood cells in blood vessels and blood flow characteristics according to plasma skimming represented by the following equations (17 'to 19'):
Figure 112018072314549-pat00056

Where H 0 , H 1 and H 2 are the hematocrit respectively in the mother blood vessel and the two branched blood vessels,
Figure 112018072314549-pat00057
Q 0 , Q 1 and Q 2 are flow velocities in the parent vessel and two branch vessels, respectively, and A 0 , A 1 and A 2 are the blood flow velocities of the mother blood vessels and two It refers to the cross-sectional area in a branched vessel.
a) (i) 혈관계 중 임의의 혈관 세그먼트를 모사하는 미세유체 채널을 구비하는 미세유체 디바이스, 및 (ii) 상기 미세유체 채널을 통과하는 혈액 및 약물 담체를 포함하는 혈액 혼합물의 혈관 내 흐름 정보를 도출하는 검출 장치가 구비된 생체 외(in vitro) 분석 장치, 여기서 상기 혈관 내 흐름 정보는 유속(flow rate), 적혈구 용적율(hematocrit) 및 약물 담체(drug carrier)의 농도를 포함하고, 또한 상기 생체 외 분석 장치는 상기 미세유체 채널 내에서의 세포 및/또는 약물 담체의 단면적 농도 분포에 관한 형상 파라미터(α)를 산출함; 및
b) 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴;
을 포함하며,
하기 수학식 20 내지 23에 의하여 표시되는 세포 및 약물 담체에 대한 일반화된(generalized) 플라즈마 스키밍 모델을 기반으로 하되, 상기 산출된 분포-형상 파라미터(α) 및 상기 미세혈관의 물질 전달 시뮬레이션 툴을 이용하여 특정 미세혈관 및 주변조직 내 세포 및/또는 약물의 분포를 예측하는 시스템:
Figure 112018072314549-pat00058

여기서, C는 세포 또는 약물 담체의 농도이고, Q는 유속이며,
Figure 112018072314549-pat00059
은 농도 변화 계수이고, α는 미세혈관 내 C의 단면적 분포에 대한 형상 파라미터이고, M은 드리프트 파라미터(drift parameter)이고, A는 각각의 혈관의 단면적이고, 아래 첨자 0, 1 및 2는 각각 모 혈관(parent vessel) 및 2개의 분지된 혈관(daughter vessels)을 지시하며, 그리고 i는 1 및 2의 정수임.
a) a microfluidic device having (i) a microfluidic channel that replicates any of the vascular segments of the vascular system, and (ii) More equipped with a detection device for deriving in vivo (in vitro) analysis device, wherein the vascular flow information includes a concentration of the flow velocity (flow rate), hematocrit (hematocrit) and a drug carrier (drug carrier), also the body Wherein the external analyzing device calculates a shape parameter (?) Concerning a cross-sectional area concentration distribution of the cells and / or the drug carrier in the microfluidic channel; And
b) a microvascular mass transfer simulation tool;
/ RTI >
(A) and a mass transfer simulation tool for the microvessels based on a generalized plasma skimming model for a cell and a drug carrier represented by the following equations (20) to (23) A system for predicting the distribution of cells and / or drugs in specific microvessels and surrounding tissues:
Figure 112018072314549-pat00058

Where C is the concentration of the cell or drug carrier, Q is the flow rate,
Figure 112018072314549-pat00059
Is the concentration variation coefficient, α is the shape parameter for the cross-sectional area distribution of C microvascular, M is the drift parameter (drift parameter), and, A is and cross-section of each vessel, the subscripts 0, 1, and 2 are each parent A parent vessel and two daughter vessels, and i is an integer of 1 and 2.
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