KR101038484B1 - Microfluidic cell chip, cell image analyzing apparatus and method for quantitative analysis of cell using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세유체 세포칩, 이를 이용한 세포사멸 정량 분석법 및 세포영상분석장치 및 이를 이용한 세포 영상분석장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 시료주입구와 배지주입구가 별개로 형성되고 유체의 확산이 가능한 채널이 존재하여 시료의 농도구배별 세포감응성을 분석할 수 있는 미세유체 세포칩 및 이를 이용한 세포사멸 정량 분석법 및 세포영상분석장치에 관한 것이다. The present invention relates to a microfluidic cell chip, apoptosis quantitative analysis method and cell image analysis device using the same, and a cell image analysis device using the same. More specifically, a sample inlet and a medium inlet are formed separately and a channel capable of spreading a fluid The present invention relates to a microfluidic cell chip capable of analyzing the cell sensitivity according to the concentration gradient of a sample, and apoptosis quantitative analysis method and cell image analysis apparatus using the same.

본 발명에 따른 미세유체 세포칩을 이용하면 주입되는 시약에 따른 세포의 형태 변화를 광학 영상분석 기법으로 측정하여 세포사멸 정도를 실시간으로 정량화할 수 있고, 단일층으로 세포의 부착 배양이 이루어지는 세포 부착 배양 구간을 포함하는 미세유체 세포칩을 이용하여, 세포사멸 정도의 실시간 정량화가 가능하므로 세포독성 평가 및 약물 스크리닝 시험을 저비용, 고속, 고효율로 수행하는 것이 가능하다.By using the microfluidic cell chip according to the present invention, the degree of cell death can be quantified in real time by measuring the morphological change of cells according to the injected reagent by optical image analysis, and the cell attachment is performed in the cell adhesion culture in a single layer. Using a microfluidic cell chip including a culture section, real-time quantification of the degree of cell death is possible, so that cytotoxicity evaluation and drug screening test can be performed at low cost, high speed, and high efficiency.

미세유체 세포칩, 농도구배, 단일층 부착세포, 대량발굴탐색, 세포독성, 세포사멸 Microfluidic cell chip, concentration gradient, monolayer adherent cell, mass excavation, cytotoxicity, apoptosis

Description

미세유체 세포칩, 이를 이용한 세포사멸 정량 분석법 및 세포영상분석장치{MICROFLUIDIC CELL CHIP, CELL IMAGE ANALYZING APPARATUS AND METHOD FOR QUANTITATIVE ANALYSIS OF CELL USING THE SAME}Microfluidic cell chip, cell death quantitative analysis and cell image analysis apparatus using the same {MICROFLUIDIC CELL CHIP, CELL IMAGE ANALYZING APPARATUS AND METHOD FOR QUANTITATIVE ANALYSIS OF CELL USING THE SAME}

본 발명은 미세유체 세포칩, 이를 이용한 세포사멸 정량 분석법 및 세포영상분석장치 및 이를 이용한 세포 영상분석장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 시료주입구와 배지주입구가 별개로 형성되고 유체의 확산이 가능한 채널이 존재하여 시료의 농도구배별 세포감응성을 분석할 수 있는 미세유체 세포칩 및 이를 이용한 세포사멸 정량 분석법 및 세포영상분석장치에 관한 것이다. The present invention relates to a microfluidic cell chip, apoptosis quantitative analysis method and cell image analysis device using the same, and a cell image analysis device using the same. More specifically, a sample inlet and a medium inlet are formed separately and a channel capable of spreading a fluid The present invention relates to a microfluidic cell chip capable of analyzing the cell sensitivity according to the concentration gradient of a sample, and apoptosis quantitative analysis method and cell image analysis apparatus using the same.

현재 세계적으로 유통되고 있는 화학물질은 수십 만여 종에 이르며 매년 여러 종의 새로운 화학물질이 개발되어 상품화되고 있어 이들에 의한 인체 및 환경 위해성이 날로 증가되고 있는 추세이다. 이로 인해 증가하는 신약의 스크리닝 및 그 유해성에 대한 평가가 신속하게 이루어져야 하는 요구가 있어 왔다. Currently, there are hundreds of thousands of chemicals in circulation around the world, and several new chemicals are being developed and commercialized every year. As a result, there has been a demand for rapid screening of new drug screening and its hazards.

본 발명과 유사한 종래 기술로써 마이크로플레이트 리더(Microplate Reader)를 이용한 측정법을 말할 수 있다. 마이크로플레이트 리더는 마이크로플레이트 웰(Microplate Well) 내에서 반응한 물질의 정성, 정량 분석에 이용되는 장비로써 적절한 용매, 용해 또는 분산된 시료에 자외선, 가시광선, 적외선 영역 등의 빛을 통과시켜 흡광, 발광, 형광도 등을 측정하여 세포 생리 및 분자생물학, 면역학 분야에서 용이하게 사용된다. 광원으로부터 유래한 빛은 여러 가지 필터와 단색화 장치를 통해 특정 파장의 빛으로 만들어진 후 시료에 96개 혹은 그 이상의 경로를 통해 조사되어 각각의 웰에 담긴 시료의 성분 및 농도에 따라 발생한 형광 또는 투과된 빛이 검출기를 통하여 분석될 수 있다. 이와 같은 방법으로 측정된 결과를 바탕으로 세포의 증식능력과 세포 생존능력을 관찰 할 수 있다. 마이크로플레이트 리더(Microplate Reader)기를 이용한 측정법의 한 예로서 세포의 활성도(viability)를 분석하기 위해 MTT(Tetrazolium-based colorimetric) 검색법이 널리 사용되고 있다. 이 검색법은 대사과정이 온전한 세포의 미토콘드리아의 탈수소 효소작용에 의하여 노란색 수용성 MTT 테트라졸리움(tetrazolium)이 자주색을 띄는 비수용성의 MTT 포마잔(formazan)으로 환원된 후 흡광도로 분석되는 방법이며, 약물의 효능 및 독성 분성 등 다양한 생물학 시험에 이용되고 있다. 그러나 멀티 웰 플레이트(Multiwell plate)를 기반으로 수행되는 분석방법은 비수용성의 결정을 유기용매에 용해시켜야 하는 등의 복잡하고 비가역적인 시료의 전처리 과정이 필요하므로 일회성 측정에는 적합하나 세포의 성장 및 사멸과정에 따른 연속적인 모니터링에는 부적합하다.As a conventional technique similar to the present invention, a measurement method using a microplate reader may be referred. Microplate Reader is a device used for qualitative and quantitative analysis of materials reacted in microplate wells, and absorbs light by passing light such as ultraviolet rays, visible rays, and infrared rays through appropriate solvents, dissolved or dispersed samples. By measuring luminescence, fluorescence, etc., it is easily used in the fields of cell physiology, molecular biology, and immunology. The light from the light source is made of light of a specific wavelength through various filters and monochromators, and then irradiated through 96 or more paths to the sample to generate fluorescence or transmitted light depending on the composition and concentration of the sample in each well. Light can be analyzed through the detector. Based on the results measured in this way, cell proliferation and cell viability can be observed. As an example of the measurement method using a microplate reader, a tetrazolium-based colorimetric (MTT) screening method is widely used to analyze the viability of cells. This screening method is a method in which yellow water-soluble MTT tetrazolium is reduced to purple water-insoluble MTT formazan by the dehydrogenase action of mitochondria in intact metabolism and analyzed by absorbance. It is used in various biological tests such as efficacy and toxicity fractionation. However, the analytical methods based on multiwell plates are suitable for one-time measurements because they require pretreatment of complex and irreversible samples, such as insoluble crystals in organic solvents. Unsuitable for continuous monitoring along the way.

세포의 분류 및 계수에 이용되어 오던 다른 방법으로 유체 세포측정법(Flow Cytometry, FACS)을 들 수 있다. 유체 세포측정법의 일반적인 원리는 일정한 파장의 빛을 세포에 조사하였을 때 세포가 가진 성질 및 부착된 형광색 소(fluorochrome)에 따라 방출할 수 있는 파장의 광선이 다르다는 점을 기본으로 세포분석에 이용되고 있다. 그러나, 이러한 FACS는 매우 고가의 장비로서 일반적인 연구자들이나 산업용으로 사용되기에는 부적합하다. 또한, FACS는 형광염료를 이용한 시표 표지를 수반하므로 비가역적인 전처리가 필요하여 일회성 측정에는 적합하나 세포의 성장 및 사멸과정에 따른 연속적인 모니터링에는 부적합하다. Another method that has been used for cell sorting and counting is Flow Cytometry (FACS). The general principle of fluid cytometry is used in cell analysis based on the fact that when light of a certain wavelength is irradiated to the cell, the light of the wavelength that can be emitted differs depending on the properties of the cell and the attached fluorochromes. . However, these FACS are very expensive equipment and are not suitable for general researchers or industrial use. In addition, FACS involves the labeling using fluorescent dyes, so irreversible pretreatment is required, which is suitable for one-time measurement, but not suitable for continuous monitoring of cell growth and death.

이러한 문제점을 해결하고자 최근 생명공학분야에서는 미세유체 세포칩을 이용한 세포분석기구의 개발연구가 활발히 이루어지고 있다. 이와 같은 미세유체 세포칩은 적은 양의 시료만으로 빠른 시간에 간편하게 분석을 수행할 수 있다는 장점이 있어 차세대 분석 시스템으로 각광을 받고 있다. 따라서, 이러한 미세유체 기술을 이용하여 분석 장비 소형화와, 저렴한 단가로 많은 분석을 통계적으로 정확한 데이터로 확보하기 위한 미세유체 세포칩 및 자동화된 실시간 분석 방법의 개발이 필요한 실정이다. In order to solve this problem, the development of a cell analysis apparatus using microfluidic cell chips has been actively conducted in the biotechnology field. Such microfluidic cell chips are in the spotlight as the next generation analysis system because they have the advantage of being able to perform the analysis simply and quickly with a small amount of samples. Therefore, the development of microfluidic cell chips and automated real-time analysis methods for minimizing analytical equipment using such microfluidic technology and securing statistically accurate data at a low cost is required.

이러한 기술적 배경하에서, 본 발명자들은 보다 저렴하고 효율성이 높은 미세유체 세포칩 및 실시간 세포 영상분석법을 개발하기 위하여 예의 노력한 결과, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. Under these technical backgrounds, the present inventors have made intensive efforts to develop cheaper and more efficient microfluidic cell chips and real-time cell image analysis, and thus have completed the present invention.

결국 본 발명의 목적은 세포칩 내 표면에 단일층으로 부착되어 배양된 세포의 시약 농도에 따른 사멸정도를 실시간 정량화에 적합한 미세유체 세포칩을 제공하고, 상기 미세유체 세포칩과 실시간 세포 영상 취득 장치를 이용하여 만든 세포 영상을 자동 영상처리 기법을 통해 세포사멸 정도를 실시간으로 정량화하는 방법을 제공하는데 있다.After all, an object of the present invention is to provide a microfluidic cell chip suitable for real-time quantification of the degree of death according to the concentration of the reagent of the cultured cells attached to the surface of the cell chip in a single layer, the microfluidic cell chip and real-time cell image acquisition device It provides a method of quantifying the degree of cell death in real time through an automatic image processing technique.

또한, 본 발명은 상기 세포칩 및 방법을 이용하여 세포고사(apoptosis) 등의 세포사멸과정을 실시간으로 모니터링하여, 신약개발시 인비트로(in vitro) 스크리닝 및 유해 화학물질의 세포독성 평가 등을 저비용, 고속, 고효율로 수행할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention by monitoring the cell death process such as apoptosis in real time using the cell chip and method, low cost in vitro screening and evaluation of cytotoxicity of harmful chemicals in the development of new drugs It is an object of the present invention to provide a device capable of performing at high speed and high efficiency.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 배지주입구; 상기 배지주입구와 별개로 형성되는 시료주입구; 상기 배지 주입구 및 시료 주입구로부터의 채널이 합류하여 연결되는 미세유체 채널을 구비하는 미세유체의 확산 구간; 상기 미세유체의 확산 구간에 연결되고 세포의 부착 배양이 이루어지는 세포 배양구간; 및 상기 세포 배양 구간에 연결되는 배출구를 포함하는 미세유체 세포칩이 제공된다.In order to achieve the above object, in the present invention, the medium inlet; A sample inlet formed separately from the medium inlet; A diffusion section of the microfluid having a microfluidic channel to which the channels from the medium inlet and the sample inlet are joined and connected; A cell culture section connected to the diffusion section of the microfluid and in which cell culture is performed; And it provides a microfluidic cell chip comprising an outlet connected to the cell culture section.

본 발명에 따른 미세유체 세포칩의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 세포 배양 구간은 미세유체의 흐름을 제어하기 위한 밸브 시스템을 구비하는 것이 바람직하고, 상기 밸브 시스템은 공기압을 이용하는 막(membrane) 밸브 시스템으로서, 주입구 공기압 밸브와 배출구 공기압 밸브를 포함할 수 있다. According to a preferred embodiment of the microfluidic cell chip according to the present invention, the cell culture section is preferably provided with a valve system for controlling the flow of the microfluid, the valve system is a membrane valve system using air pressure As an inlet air pressure valve and an outlet air pressure valve may be included.

상기 미세유체 세포칩 내의 미세유체 확산 구간 또는 세포배양구간은 복수개의 채널로 형성되어 복수개의 채널을 통해 유체가 분배 및 합류되어 농도 구배를 형성할 수 있다. 또한, 상기 미세유체 확산 구간 또는 세포배양구간은 복수 개의 단으로 형성되어 농도 구배 형성이 보다 효율적으로 이루어지게 할 수 있다. The microfluidic diffusion section or the cell culture section in the microfluidic cell chip may be formed of a plurality of channels so that the fluid is distributed and joined through the plurality of channels to form a concentration gradient. In addition, the microfluidic diffusion section or the cell culture section may be formed in a plurality of stages so that the concentration gradient can be formed more efficiently.

또한, 본 발명에 따른 미세유체 세포칩에서 상기 배출구나 별도의 세포주입구를 통하여 세포가 주입될 수 있다.In addition, in the microfluidic cell chip according to the present invention, the cells may be injected through the outlet or the separate cell inlet.

본 발명에 따른 미세유체 세포칩의 바람직한 실시예에서는 상기 세포칩은 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane), PDMS), 폴리메틸메타클릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리아크리레이트(polyacrylates), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리시클릭 올레핀(polycyclic olefins), 폴리이미드(polyimides) 및 폴리우레탄(polyurethanes)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자 재질로 제조된 것일 수 있다.In a preferred embodiment of the microfluidic cell chip according to the present invention, the cell chip is polydimethylsiloxane (PDMS), polymethylmethacrylate (PMMA), polyacrylates, polycarbonate. (polycarbonates), polycyclic olefins (polycyclic olefins), polyimides (polyimides) and polyurethane (polyurethanes) may be made of a polymer material selected from the group consisting of.

또한, 상기 미세유체 세포칩은 슬라이드 글라스, 크리스탈 및 유리 글라스로 구성된 군으로부터 선택되는 광학적 측정이 용이한 플레이트 상부에 접합되는 것일 수 있다. In addition, the microfluidic cell chip may be bonded to an upper plate for easy optical measurement selected from the group consisting of slide glass, crystal and glass glass.

본 발명의 또다른 측면에 따르면, 배지주입구, 상기 배지주입구와 별개로 형성되는 시료주입구, 상기 배지 주입구 및 시료 주입구로부터의 채널이 합류하여 연결되는 미세유체 채널을 구비하는 미세유체의 확산 구간, 상기 미세유체의 확산 구간에 연결되고 세포의 부착 배양이 이루어지는 세포 배양구간 및 상기 세포 배양 구간에 연결되는 배출구를 포함하는 미세유체 세포칩을 준비하는 단계; 상기 배출구를 통해 세포를 주입시킨 후 일정시간 간격으로 배지를 배출구로 배출시키며 세포를 배양하여 상기 세포 배양 구간상에 부착된 단일 세포층을 형성하는 단계; 상기 시료 주입구를 통해 시료를 주입하고 미세유체의 확산구간을 통과시켜 농도구배가 형성된 시료에 상기 단일 세포층을 노출시키는 단계; 및 상기 시료에 노출된 세 포층이 존재하는 세포 배양 구간을 촬영하고 촬영된 이미지로부터 각 세포의 형태인자 값을 추출하여 세포사멸정도를 정량화 하는 단계를 포함하는 미세유체 세포칩을 이용한 세포사멸 정도의 정량 분석법이 제공될 수 있다. According to another aspect of the invention, the medium inlet, the sample inlet formed separately from the medium inlet, the diffusion section of the microfluid having a microfluidic channel connected to the channels from the medium inlet and the sample inlet, the diffusion Preparing a microfluidic cell chip connected to a diffusion section of the microfluid and including a cell culture section in which an adhesion culture of the cell is made and an outlet connected to the cell culture section; Injecting cells through the outlet to discharge the medium to the outlet at predetermined time intervals and culturing the cells to form a single cell layer attached on the cell culture section; Injecting a sample through the sample inlet and passing a diffusion section of the microfluid to expose the single cell layer to a sample having a concentration gradient formed thereon; And quantifying the degree of apoptosis by taking a cell culture section in which the cell layer exposed to the sample is present and extracting a form factor value of each cell from the photographed image. Quantitative assays can be provided.

상기 세포사멸 정도의 정량 분석법에서, 상기 세포 배양 구간을 촬영하고 촬영된 이미지로부터 각 세포의 형태인자 값을 추출하여 세포사멸정도를 정량화 하는 단계는 촬영된 이미지 내의 세포들을 식별하여 분할(segmentation)하는 단계; 식별된 세포들로부터 세포 형태인자를 추출하는 단계; 및 추출한 세포형태인자와 세포사멸정도의 상관관계를이용하여 세포사멸을 정량화 하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.In the quantitative analysis of the degree of apoptosis, the step of quantifying the degree of apoptosis by taking a picture of the cell culture section and extracting the form factor value of each cell from the photographed image to identify and segment the cells in the photographed image step; Extracting a cell form factor from the identified cells; And quantifying apoptosis using the correlation between the extracted cell type factors and the degree of apoptosis.

상기 미세유체 세포칩을 이용한 세포사멸 정도의 정량 분석법에서, 상기 미세유체 세포칩의 미세유체 확산구간 또는 세포 배양 구간은 복수개의 채널로 형성되거나, 복수 개의 단으로 형성되어 시약의 농도 구배 형성이 가능하고, 시약의 농도 차에 따라 별개의 채널에서 분석이 가능한 것일 수 있다. In the quantitative analysis of the degree of cell death using the microfluidic cell chip, the microfluidic diffusion section or the cell culture section of the microfluidic cell chip may be formed of a plurality of channels or a plurality of stages to form a concentration gradient of a reagent. And, it may be possible to analyze in a separate channel depending on the difference in concentration of the reagents.

상기 미세유체 세포칩을 이용한 세포사멸 정도의 정량 분석법에서, 상기 세포배양구간의 촬영 및 세포사멸정도의 정량화는 실시간으로 실시하는 것일 수 있다. In the quantitative analysis of the degree of apoptosis using the microfluidic cell chip, the photographing and quantification of the degree of apoptosis in the cell culture section may be performed in real time.

본 발명의 일측면에 따른 세포사멸 정도의 정량 분석법은 시약의 세포독성을 평가하는 것일 수 있다. Quantitative analysis of the degree of apoptosis according to one aspect of the present invention may be to evaluate the cytotoxicity of the reagent.

상기 세포사멸 정도의 정량 분석법에서, 각 세포의 형태인자는 상기 각 세포의 원형성 값으로서 하기의 식으로 계산되는 것 일 수 있다. In the quantitative analysis of the degree of apoptosis, the morphology factor of each cell may be calculated by the following formula as a circularity value of each cell.

원형성 = 4π×(세포면적/세포둘레2)Circularity = 4π × (cell area / cell circumference 2 )

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 미세유체 세포칩; 및 실시간으로 세포배양구간을 촬영 및 분석하기 위한 광학영상분석 장치를 포함하는 세포 영상분석장치가 제공될 수 있고, 상기 세포 영상분석장치는 시약의 세포독성을 평가하기 위한 것일 수 있다. According to another aspect of the invention, the microfluidic cell chip; And an optical image analyzing apparatus for photographing and analyzing a cell culture section in real time, and the cellular image analyzing apparatus may be for evaluating cytotoxicity of a reagent.

상기 세포 영상분석 장치에서 상기 광학영상분석 장치는 광학이미지 취득을 위한 가시광선영역에서의 광원으로서 텅스텐 램프(tungsten lamp), LED 광원 및 레이져광원으로 이루어진 군으로부터 선택되는 광원; 대물렌즈로부터 모아진 세포영상을 검출하는 CCD(Charge Coupled Device) 카메라; 미세유체칩을 포함하는 세포 배양시스템을 배치시키기 위한 세포배양 플랫폼; 상기 CCD로 부터 얻어진 이미지를 분석/처리하여 세포형태인자를 추출하고 세포사멸과정을 정량화 할 수 있는 영상처리 프로그램을 포함하는 컴퓨터 시스템을 사용하는 것이 바람직하다. In the cell image analysis device, the optical image analysis device includes: a light source selected from the group consisting of a tungsten lamp, an LED light source, and a laser light source as a light source in the visible light region for optical image acquisition; A charge coupled device (CCD) camera for detecting a cell image collected from an objective lens; A cell culture platform for placing a cell culture system including a microfluidic chip; It is preferable to use a computer system including an image processing program capable of analyzing / processing an image obtained from the CCD to extract a cell form factor and quantifying apoptosis process.

또한, 상기 세포 영상 분석장치에서, 상기 세포배양 플랫폼은 세포배양을 위한 온도조건 및 대기포화조건의 조절이 가능한 것을 사용하는 것이 바람직하다. In addition, in the cell image analysis apparatus, the cell culture platform is preferably used to control the temperature conditions and atmospheric saturation conditions for cell culture.

본 발명에 따르면 저렴한 단가의 소형 세포분석 장치의 제조가 가능하여, FACS 등 고가의 장비가 사용되거나 노동집약적으로 수행되고 있는 기존의 세포독성 평가(Cytotoxicity Assay)에서, 적은 양의 시료와 세포만을 가지고 분석이 가능하여 저렴한 단가로 많은 분석을 수행할 수 있어, 통계적으로 보다 정확한 데이터를 확보하는 것이 가능하고, 약물 스크리닝(Drug Screening) 시험에 광범위하게 적용될 수 있어 저비용, 고속, 고효율 분석이 가능하다. According to the present invention, it is possible to manufacture a small unit cell assay device of low cost, and in the existing cytotoxicity assay (Cytotoxicity Assay) where expensive equipment such as FACS is used or labor intensively performed, it has only a small amount of sample and cells. The analysis can be performed at a low cost, many analyzes, it is possible to obtain more statistically accurate data, it can be applied to a wide range of drug screening (drug screening) test, low cost, high speed, high efficiency analysis.

본 발명에 따르면 미세유체 세포칩을 활용한 약물 스크리닝, 세포독성 평가 세포의 성장 또는 사멸 등에 대한 정보를 자동 영상처리 기법을 이용하여 세포의 형태인자를 추출하고 자동 계수함으로써 화학물질의 농도변화 등 세포 주변 환경변화에 따른 세포의 사멸과정을 고속, 고효율로 그리고 실시간으로 정량화 및 모니터링할 수 있다. According to the present invention, information about drug screening and cytotoxicity evaluation using microfluidic cell chips, cell growth and death, etc. are extracted and automatically counted using an automatic image processing technique. The cell death process according to the change of surrounding environment can be quantified and monitored in high speed, high efficiency and in real time.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 미세유체 세포칩 내로 배지 및 시약을 주입함으로써 세포배양과 동시에 다양한 세포기반 분석이 가능하여 약물의 흡수, 분포, 대사, 배설, 독성 등의 분석 및 신약개발 및 스크리닝 시험에 이용될 수 있으며, 또한 다른 세포배양과 동시에 유해화학물질에 노출로 인한 세포의 반응 기작을 이미지를 통해 확인하는 것이 가능하다. According to a preferred embodiment of the present invention, by injecting the medium and reagent into the microfluidic cell chip, various cell-based assays are possible at the same time as the cell culture, and the analysis, drug development, and screening of drug absorption, distribution, metabolism, excretion, toxicity, etc. It can be used for testing, and it is also possible to visualize the reaction mechanisms of cells due to exposure to harmful chemicals in parallel with other cell cultures.

이하, 첨부되는 도면과 함께 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 미세유체 세포칩의 기본적인 구조는 도 1과 같다. 즉, 유체주입구 (3, 5)로서 배지 주입구(3) 및 시료 주입구(5); 상기 배지 주입구(3) 및 시료 주입구(5)로부터의 채널이 합류하여 연결되어 주입되어 시료의 농도구배를 형성하도록 하는 미세유체의 확산 희석 구간(1); 상기 미세유체의 확산 희석 구간에 연결되고 세포의 부착 배양이 이루어지는 세포 배양 구간(2); 및 상기 세포 배양 구 간에 연결되는 배출구(6)를 포함하는 미세유체 채널구조를 포함하는 기본구조를 가진다. 이러한 구조의 미세유체 세포칩에서는 배지 주입구(3) 및 시료 주입구(6)로부터 유입된 유체인 배지 및 시료는 미세유체의 확산 희석 구간(1)을 거치면서 농도구배가 형성된 유체로 세포배양구간(2)로 유입된다. 상기 배출구(6)는 시료 및 배지를 배출하는 역할을 하기도 하지만 세포를 주입하는 세포주입구로서의 역할을 할 수도 있다. 상기 배출구(시료주입구)(6)로 유입된 세포는 세포배양구간(2)에 부착되고, 이때 세포층을 단일층으로 부착시키기 위해 세포를 배양하며 일정시간간격으로 배지를 배출구(세포주입구)(6)로 흘려주는 조치를 취할 수 있다. The basic structure of the microfluidic cell chip according to the present invention is shown in FIG. 1. That is, the medium inlet 3 and the sample inlet 5 as the fluid inlet (3, 5); Diffusion dilution section (1) of the microfluid to allow the channels from the medium inlet (3) and the sample inlet (5) to join and be connected to form a concentration gradient of the sample; A cell culture section (2) connected to the diffusion dilution section of the microfluid and in which adhesion culture of the cells is performed; And a microfluidic channel structure including an outlet 6 connected between the cell culture zones. In the microfluidic cell chip having such a structure, the medium and the sample which are the fluids introduced from the medium inlet 3 and the sample inlet 6 are cell culture sections with fluid having a concentration gradient through the diffusion dilution section 1 of the microfluid. 2) flows into. The outlet 6 may serve to discharge the sample and the medium, but may also serve as a cell inlet for injecting cells. Cells introduced into the outlet (sample inlet) (6) is attached to the cell culture section (2), wherein the cells are cultured to attach the cell layer as a single layer, and the medium is discharged at a predetermined time interval (cell inlet) (6). ) Can be taken.

상기와 같은 기본구조의 미세유체 세포칩은 농도구배별 개별적인 세포배양 및 분석이 가능하도록 세포배양구간(2)에 복수개의 채널을 구비할 수 있고(도 2a), 복수개의 확산 구간을 구비할 수도 있다(도 3). 또한, 미세유체채널의 유체의 흐름을 제어할 수 있도록 밸브 시스템으로서, 막 밸브채널(7,8) 및 막 밸브를 제어하는 압력 주입구(9, 10)을 포함할 수 있다(도 2 b, c). 이러한 구조의 미세유체 세포칩은 다수의 세포 부착 배양 구간을 포함하고, 이들 세포 부착 배양 구간들 사이에 농도 구배를 형성할 수 있어, 주입되는 시약의 농도구배에 따른 세포의 시약에 대한 세포감응성을 동시에 대량으로 분석하는 것이 가능하다.The microfluidic cell chip having the basic structure as described above may be provided with a plurality of channels in the cell culture section 2 to enable individual cell culture and analysis for each concentration gradient (FIG. 2A), and may have a plurality of diffusion sections. (FIG. 3). In addition, the valve system to control the flow of the fluid in the microfluidic channel, may include a membrane valve channel (7, 8) and the pressure inlet (9, 10) for controlling the membrane valve (Fig. 2b, c ). The microfluidic cell chip having such a structure includes a plurality of cell attachment culture sections, and can form a concentration gradient between these cell attachment culture sections, thereby allowing cell sensitivity to the reagents of cells according to the concentration gradient of the reagent to be injected. It is possible to analyze in large quantities at the same time.

도 3에는 두 개의 시료 주입구에서 유입된 용액이 복수개의 확산 구간에서 여러 차례에 걸쳐 희석되어 여러 개(도 3에서는 5개)의 다양한 용액의 농도를 형성하고 하나의 확산구간에서 다시 희석됨으로써 더욱 다양한 농도 구배를 형성할 수 있는 세포칩이 도시되어 있다.In FIG. 3, the solution introduced from two sample inlets is diluted several times in a plurality of diffusion sections to form concentrations of various solutions (five in FIG. 3) and diluted again in one diffusion section. Cell chips capable of forming concentration gradients are shown.

도 4에는 한 개의 확산 구간과 복수개의 세포배양 용기로 구성되어 있으며 도2a와 유사하지만 막밸브가 장착되어 있지 않아 도 1의 미세유체 칩과 같이 실린지 펌프를 이용하여 연속흐름 조건이 적용되는 세포칩이 도시되어 있다. 4 is composed of one diffusion section and a plurality of cell culture vessels, similar to FIG. 2A, but not equipped with a membrane valve, so that a continuous flow condition is applied using a syringe pump like the microfluidic chip of FIG. 1. The chip is shown.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 제조된 미세유체 세포칩의 촬영 이미지이다. 막밸브가 장착되어 정적흐름의 조건을 갖는 세포칩(왼쪽)과 막밸브가 없는 연속흐름 조건을 갖는 세포칩(오른쪽)이다. Figure 5 is a photographed image of the microfluidic cell chip prepared according to an embodiment of the present invention. Cell chips (left) with membrane valves equipped with static flow conditions and cell chips (right) with continuous flow conditions without membrane valves.

본 발명에 따른 미세유체 세포칩은 주입되는 시료에 따른 세포의 형태 변화를 광학 영상분석 기법으로 측정하여 세포사멸 정도를 실시간으로 정량화하는데 사용되기 적합하며, 세포부착배양구간에서는 단일층으로 세포의 부착 배양이 이루어질 수 있다. The microfluidic cell chip according to the present invention is suitable to be used for quantifying the degree of cell death in real time by measuring the morphological change of cells according to the injected sample by optical image analysis technique, and in the cell attachment section, adhesion of cells to a single layer. Cultivation can be made.

상기 미세유체 세포칩 내에 다수의 세포 부착 배양구간을 구비하고, 상기 다수의 세포 부착 배양 구간들 사이에 주입되는 시약의 농도차가 형성되도록 하는 미세유체의 확산 희석 구간을 구비할 수 있으며, 이 경우 각 세포 배양 구간들 사이에 주입되는 시약의 농도구배를 형성시켜 시료의 농도구배에 따른 세포 감응성, 특히 세포 사멸과정의 진행 정도를 정량화하는데 이용할 수 있도록 복수개의 채널로 이루어지는 세포배양구간을 구비할 수 있다.The microfluidic cell chip may include a plurality of cell attachment culture sections, and may be provided with a diffusion dilution section of the microfluid so as to form a concentration difference between reagents injected between the plurality of cell attachment culture sections. By forming a concentration gradient of the reagent injected between the cell culture sections may be provided with a cell culture section consisting of a plurality of channels to be used to quantify the cell sensitivity according to the concentration gradient of the sample, in particular the progress of the cell death process. .

상기와 같이 세포배양 구간이 복수개의 채널로 이루어지도록 하기 위하여, 본 발명에 따른 미세유체 세포칩은 상기 미세유체의 확산 구간의 말단에서 하나 이상의 채널로 분기되는 분기부; 상기 분기된 각 채널에 배열되고 세포의 부착 배양 이 이루어지는 하나 이상의 컴파트먼트 챔버(compartmented chamber); 상기 컴파트먼트 챔버를 지난 각 채널이 합류되어 상기 배출구에 연결되는 합류부를 포함할 수 있다. In order to ensure that the cell culture section is made up of a plurality of channels as described above, the microfluidic cell chip according to the present invention includes a branching portion branched into one or more channels at the end of the diffusion section of the microfluidic body; One or more compartmented chambers arranged in each branched channel and configured to adhere and culture cells; Each channel passing through the compartment chamber may be joined to connect to the outlet.

상기 세포 배양 구간은 정적인 상태(static state)를 유지하도록 하여 유체의 흐름에 따른 세포의 손실이 없도록 하는 것이 지속적인 세포 사멸 과정의 모니터링을 위해서 바람직하다. 그러나, 유체의 흐름이 계속적으로 진행되는 상태이더라도 평면 부착 배양이 이루어지는 배양 구간이 있다면 세포 사멸 과정의 분석이 가능할 수 있다. It is desirable for the cell culture section to maintain a static state so that there is no loss of cells due to the flow of fluid for continuous monitoring of cell death process. However, even if the flow of the fluid continues to progress, if there is a culture section in which the planar attachment culture can be analyzed the cell death process may be possible.

이러한 세포 배양 구간의 정적 상태는 미세유체 세포칩에 밸브 시스템을 도입함으로써 이루어 질 수 있으며, 바람직하게는 공기압 등을 이용한 막밸브 시스템이 이용될 수 있다. 상기 밸브 시스템은 공기압을 이용하는 막(membrane) 밸브 시스템이고, 주입구 공기압 밸브와 배출구 공기압 밸브를 포함할 수 있다. 이러한 밸브 시스템을 이용하여 상기 세포 배양 구간의 농도 구배(gradient)를 정적(static) 상태로 유지할 수 있다. 이러한 막 밸브 시스템은 공기압의 조절에 따라 막 밸브의 개폐가 이루어질 수 있다.The static state of the cell culture section may be achieved by introducing a valve system to the microfluidic cell chip, preferably a membrane valve system using air pressure or the like. The valve system is a membrane valve system using pneumatic pressure and may include an inlet pneumatic valve and an outlet pneumatic valve. Such a valve system can be used to maintain the concentration gradient of the cell culture section in a static state. Such a membrane valve system can be opened and closed the membrane valve in accordance with the control of the air pressure.

본 발명에 따른 미세유체 세포칩은 각각 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane), PDMS), 폴리메틸메타클릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리아크리레이트(polyacrylates), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리시클릭 올레핀(polycyclic olefins), 폴리이미드(polyimides), 폴리우레탄(polyurethanes) 등의 고분자 재질로 제작될 수 있으 며, 바람직하게는 PDMS로 제작될 수 있다. The microfluidic cell chip according to the present invention is polydimethylsiloxane (PDMS), polymethylmethacrylate (PMMA), polyacrylates, polycarbonates, polycyclic olefins, respectively. (Polycyclic olefins), polyimides (polyimides), polyurethane (polyurethanes) may be made of a polymer material, and preferably may be made of PDMS.

이상과 같은 미세유체 세포칩은 슬라이드 글라스, 크리스탈, 유리 글라스 등의 플레이트 상부에 접합되어 광학적 측정이 용이하도록 하는 것이 바람직하다. Microfluidic cell chip as described above is preferably bonded to the upper plate of the slide glass, crystal, glass glass, etc. to facilitate the optical measurement.

두 개의 유체 주입구, 즉 배지주입구 및 시료주입구(3, 5)를 통해 유입된 유체는 세포배양구간(2)에서 다양한 농도를 형성하며, 지속적인 유체의 흐름이 없이 농도 구배(gradient)를 유지시키기 위하여 PDMS 막(membrane) 밸브가 추가적으로 구성될 수 있다. The fluids introduced through the two fluid inlets, namely the medium inlet and the sample inlets 3 and 5, form various concentrations in the cell culture section 2, so as to maintain a concentration gradient without continuous flow of fluid. PDMS membrane valves may be further configured.

본 발명에 다른 측면에 따른 미세유체 세포칩을 이용한 세포분석법은, 전술한 미세유체 세포칩을 준비하는 단계; 미세유체의 확산구간을 통과시켜 농도구배가 형성된 시료에 상기 단일 세포층을 노출시키는 단계; 상기 미세유체 세포칩에 시약을 주입하여 상기 세포를 시약에 노출시키는 단계; 및 상기 시료에 노출된 세포층이 존재하는 세포 배양 구간을 촬영하고 촬영된 이미지로부터 각 세포의 형태인자 값을 추출하는 단계를 포함한다. Cell analysis method using a microfluidic cell chip according to another aspect of the present invention, preparing a microfluidic cell chip described above; Exposing the single cell layer to a sample in which a concentration gradient is formed by passing through a diffusion section of the microfluid; Injecting a reagent into the microfluidic cell chip to expose the cells to the reagent; And photographing a cell culture section in which the cell layer exposed to the sample is present, and extracting form factor values of each cell from the photographed image.

이하, 상기 각 단계에 대해서 구체적으로 설명한다. Hereinafter, each step will be described in detail.

1) 미세유체 세포칩을 준비하는 단계1) preparing a microfluidic cell chip

전술한 바와 같은 미세유체 세포칩 구조물을 제작하여 준비할 수 있다. 바람직하게는 도 2a와 같은 구조물을 제작하여 도 5와 같은 미세유체 세포칩을 준비한다. It can be prepared by preparing a microfluidic cell chip structure as described above. Preferably, a microfluidic cell chip as shown in FIG. 5 is prepared by preparing a structure as shown in FIG. 2A.

도 2에 명시되어 있는 각 유닛은 다음과 같은 특성을 나타내고 있다. 도 2(b)는 두 개의 유체 주입구(배지주입구, 시료주입구, 3, 5)나 배출구(6)에서 유입되는 유체의 흐름을 제어 할 수 있는 주입구 공기압 밸브와 배출구 공기압 밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다. (1)은 일정한 유속에 의해 두 주입구로부터 서로 다른 농도를 갖는 유체가 만나 채널 안으로 유입되면서 분자의 확산에 의해 다양한 농도를 형성하는 미세유체의 확산 희석(microfluidic diffusion diluter)구간이다. (2)와 같이 대량발굴탐색(HTS: High througput screening)을 위하여 배열된 컴파트먼트(compartment)는 세포 배양구간 역할을 한다. 또한, 도 3은 복수개의 확산 구간과 단순 세포배양구간이 결합되어 있는 미세유체 세포칩을 나타낸 것이다. 시료 주입구로부터 서로 다른 농도를 갖는 두 용액이 복수개의 확산 구간을 거쳐 5개의 다양한 농도의 용액을 형성하고 하나의 확산 구간 및 세포배양 구간에서 다시 확산됨으로써 다양한 농도구배를 형성할 수 있다. 도 4의 미세유체 세포칩은 도 2에 명시된 미세유체 세포칩과 같은 확산구간과 복수개의 배양구간을 포함하지만 막밸브가 장착되지 않아 유체의 연속흐름 조건이 적용된다.Each unit specified in FIG. 2 has the following characteristics. Figure 2 (b) is characterized in that it comprises an inlet pneumatic valve and outlet pneumatic valve that can control the flow of fluid flowing from the two fluid inlet (medium inlet, sample inlet, 3, 5) or outlet (6) do. (1) is a microfluidic diffusion diluter section in which fluids having different concentrations from two inlets are introduced into a channel at a constant flow rate and enter various channels by diffusion of molecules. As shown in (2), the compartments arranged for high througput screening (HTS) serve as cell culture sections. 3 illustrates a microfluidic cell chip in which a plurality of diffusion sections and simple cell culture sections are combined. Two solutions having different concentrations from the sample inlet form a solution having five different concentrations through a plurality of diffusion sections, and then diffuse again in one diffusion section and cell culture section to form various concentration gradients. The microfluidic cell chip of FIG. 4 includes a diffusion section and a plurality of culture sections, such as the microfluidic cell chip shown in FIG. 2, but is not equipped with a membrane valve so that a continuous flow condition of the fluid is applied.

2) 미세유체 세포칩의 세포 배양 구간 내에 단일층의 부착 세포군을 형성하는 단계2) forming a monolayer adherent cell group in the cell culture section of the microfluidic cell chip

상기 미세유체 세포칩의 세포 배양 구간 내에 단일층의 부착 세포군을 형성하는 단계에서는, 미세유체 세포칩에서 표면 부착된 세포의 형태변화 영상분석을 이용하여 세포분석을 하기 위하여 최적화된 세포 배양의 조건으로 2차원 단일층의 부착 세포군을 형성하는 것이 바람직하다. 세포 배양 용기를 구성하는 컴파트먼트 챔버에서 최적의 이미지 분석 조건을 충족시키기 위한 세포의 개수 범위에 맞추어 세포를 적절하게 배양시킨다. In the step of forming a monolayer adherent cell group in the cell culture section of the microfluidic cell chip, the conditions of the cell culture optimized for cell analysis using the morphological image analysis of the surface attached cells in the microfluidic cell chip It is desirable to form a two-dimensional monolayer of adherent cell populations. In the compartment chamber constituting the cell culture vessel, the cells are appropriately cultured in accordance with the number of cells to meet the optimum image analysis conditions.

단일층으로 부착된 세포층을 형성하기 위해서는. 배출구(세포주입구)(6)로 세포를 유입시켜 세포배양구간(2)에 부착시키고, 이때 세포층을 단일층으로 부착시키기 위해 세포를 배양하며 일정시간간격으로 배지를 배출구(세포주입구)(6)로 흘려주는 조치를 취할 수 있다.To form a cell layer attached in a single layer. Introduce the cells into the outlet (cell inlet) (6) and attach them to the cell culture section (2), in which the cells are cultured to attach the cell layer as a single layer and the medium is discharged at regular intervals (the cell inlet) (6). Action can be taken as

도 6에는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 세포가 부착된 세포 배양 구간의 배양시간에 따른 개요도와, 세포 배양 구간에서의 세포 성장이 전형적인 S자 형 성장 곡선을 나타낼 수 있음을 나타내었다. FIG. 6 shows a schematic diagram according to the incubation time of the cell culture section in which the cells are attached according to the preferred embodiment of the present invention, and shows that the cell growth in the cell culture section may exhibit a typical S-shaped growth curve.

3) 시료를 주입하여 상기 세포를 시험하고자 하는 시료에 노출시키는 단계3) injecting a sample to expose the cells to the sample to be tested

상기 미세유체 세포칩 내에 다양한 방법으로 시료를 주입함으로써 세포 배양 구간에서 배양되고 있는 세포를 시료에 노출시킬 수 있다. 전술한 바와 같이 다수의 세포 부착 배양 구간을 포함하는 미세유체 세포칩을 사용하는 경우, 부착 세포의 위치에 따라 상이한 시료 농도 환경에 노출시키는 것이 가능하다. By injecting the sample into the microfluidic cell chip in various ways, the cells being cultured in the cell culture section can be exposed to the sample. As described above, when using a microfluidic cell chip including a plurality of cell attachment culture sections, it is possible to expose to different sample concentration environments depending on the position of the adherent cells.

상기 부착 세포의 위치(서로 다른 세포 부착 배양 구간)에 따라 상이한 시약 농도 환경에 노출시키기 위해서, 상기 미세유체 세포칩의 유체 주입구로부터 유입된 서로 다른 농도를 갖는 시약(화학물질)이 미세유체의 확산 희석 구간에서 층류(laminar flow)를 형성하고 시간이 지남에 따라 확산(diffusion)되어 세포 배양 구간에서 다양한 농도를 갖는 화학물질로 존재하게 될 수 있다. In order to expose to different reagent concentration environments depending on the location of the adherent cells (different cell adhesion culture sections), microfluidic diffusion of reagents having different concentrations introduced from the fluid inlet of the microfluidic cell chip is performed. Laminar flow may be formed in the dilution section and diffused over time, resulting in chemicals having various concentrations in the cell culture section.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 배지 및 시약을 주입하였을 때 농도 구배가 형성될 수 있음을 보여주는 그래프 및 촬영이미지를 도 7에 나타내었다. 유색의 시약을 사용하거나 투명한 시약에 색소(ex. 트리판 블루)를 혼합하여 사용하면서 흡광도를 측정하면 구간별로 흡광도의 차이를 보여 농도구배의 형성되었음을 확인할 수 있다. According to one preferred embodiment of the present invention, a graph and a photographed image showing that a concentration gradient can be formed when the medium and the reagent are injected are shown in FIG. 7. When the absorbance is measured by using a colored reagent or by mixing a pigment (ex. Trypan blue) with a transparent reagent, it is confirmed that a concentration gradient is formed by showing a difference in absorbance for each section.

4) 광학 영상분석을 통하여 각 세포의 형태인자 값을 추출 또는 비교하여 세포사멸 정도를 정량화하는 단계4) quantifying the degree of apoptosis by extracting or comparing the morphologic values of each cell through optical image analysis

부착 위치에 따라 상이한 시료의 농도 환경에 노출된 2차원적으로 배치된 세포를 광학 영상 분석을 통하여 각 세포의 형태인자 값의 추출 및 비교를 수행한다. 이는 자동화된 광학영상분석 장치를 이용할 수 있으며, 이를 이용하여 촬영된 세포 부착 배양 구간의 이미지에서 각 구간 내의 각 세포들의 형태인자 값을 추출하여 계산하는 것이 가능하다. Two-dimensionally placed cells exposed to the concentration environment of different samples according to the attachment position are extracted and compared through the optical image analysis. It is possible to use an automated optical image analysis device, it is possible to calculate by extracting the form factor value of each cell in each section from the image of the cell attachment culture section photographed using this.

상기 자동화된 광학영상분석 장치로는 광학이미지 취득을 위한 가시광선영역에서의 광원으로서 텅스텐 램프(tungsten lamp), LED 광원 및 레이져광원으로 이루어진 군으로부터 선택되는 광원; 대물렌즈로부터 모아진 세포영상을 검출하는 CCD(Charge Coupled Device) 카메라; 미세유체칩을 포함하는 세포 배양시스템을 배치시키기 위한 세포배양 플랫폼; 상기 CCD로 부터 얻어진 이미지를 분석/처리하여 세포형태인자를 추출하고 세포사멸과정을 정량화 할 수 있는 영상처리 프로그램을 포함하는 컴퓨터 시스템으로 이루어진 것으로, 상기 영상처리 프로그램으로는 ImageJ, CellProfiler, Metamorph, Image Pro Plus 등을 사용할 수 있다. The automated optical image analyzing apparatus includes a light source selected from the group consisting of a tungsten lamp, an LED light source, and a laser light source as a light source in the visible light region for optical image acquisition; A charge coupled device (CCD) camera for detecting a cell image collected from an objective lens; A cell culture platform for placing a cell culture system including a microfluidic chip; It consists of a computer system that includes an image processing program capable of analyzing / processing an image obtained from the CCD to extract a cell form factor and quantifying apoptosis process. The image processing program includes ImageJ, CellProfiler, Metamorph, and Image. Pro Plus can be used.

상기 분석을 위하여 사용한 영상분석 시스템은 광학 이미지(명시야 이미지)를 취득하기 위해 광원인 텅스텐 램프(tungsten lamp)와 전하 결합 소자(charge coupling device: CCD)를 구비한 광학 현미경의 이용을 기본 기술로 한다. x-y-z 스테이지(stage) 위에 미세유체 칩을 올려 놓은 후 CCD 카메라와 연결된 컴퓨터로부터 미세유체 칩 내에 배양된 세포의 사멸과정 이미지를 취득할 수 있고(도 13a), 미세유체 세포칩은 37℃, 5% CO2 환경에서 배지 및 시료 저장기(reservoir)와 연결된 실린지 펌프(syringe pump) 또는 중력에 의한 흐름을 이용한 연속 흐름 (continuous flow) 조건에서 세포배양이 가능하도록 배치될 수 있다(도 13b). The image analysis system used for the analysis is based on the use of an optical microscope equipped with a tungsten lamp as a light source and a charge coupling device (CCD) to acquire an optical image (bright field image). do. After placing the microfluidic chip on the xyz stage, images of the apoptosis process of cells cultured in the microfluidic chip can be acquired from a computer connected to the CCD camera (FIG. 13A), and the microfluidic cell chip is 37 ° C. and 5%. Cell culture may be arranged in a continuous flow condition using a syringe or a gravity pump or a syringe pump connected to a medium and a sample reservoir in a CO 2 environment (FIG. 13B).

이와 같은 이미지 분석 방법은 영상분석 프로그램의 메크로를 이용하여 순차적인 이미지의 목록을 동시 분석이 가능하며, 세포의 개수, 각 세포의 면적 및 세포원형성 등의 여러 인자들 또한 동시 분석이 가능하다.Such an image analysis method can simultaneously analyze a list of sequential images using a macro of an image analysis program, and can also simultaneously analyze several factors such as the number of cells, the area of each cell, and the formation of a cell source.

여기서, 상기 각 세포의 형태인자는 바람직하게는 세포고사의 대표적인 형태학적인 특징인 세포수축 및 원형화에 기반하여 선택한다. 한 예로 세포사멸 여부를 간단히 확인할 수 있는 형태인자는 각 세포 원형성(circularity)일 수 있으며, 예컨대, 상기 각 세포의 원형성은 아래 식과 같이 계산되어 정량화된 값으로 나타내는 것이 가능하다(도 8 참조). Herein, the morphology factor of each cell is preferably selected based on cell contraction and circularization, which are representative morphological features of cell death. For example, a form factor capable of simply confirming apoptosis may be circularity of each cell. For example, the circularity of each cell may be calculated and expressed as a quantified value as follows. ).

원형성(circularity) = 4π×(세포면적/세포둘레2)Circularity = 4π × (cell area / cell circumference 2 )

상기 식으로부터 계산된 원형성 값이 1.0인 경우는 측정 대상이 완전한 원의 형태를 가짐을 의미하며 원형성 값이 감소하여 0.0에 가까워질수록 측정 대상물체가 장방형 또는 다각형의 형태를 가지게 됨을 의미한다. 표면 부착되어 성장하던 세포가 외부의 환경요인에 의하여 고사사멸과정(apoptotic death process)을 거치게 되면 가장 대표적인 형태변화인 세포의 수축 및 원형화가 동반되게 된다. 그러므로, 표면부착세포의 경우 낮은 원형성 값을 가지고 고사사멸과정이 진행 될수록 부착세포의 원형성 값이 증가하게 된다. When the circularity value calculated from the above formula is 1.0, it means that the measurement object has the shape of a perfect circle, and as the circularity value decreases and approaches 0.0, the object to be measured has a rectangular or polygonal shape. . When the surface-grown cells undergo an apoptotic death process due to external environmental factors, the most representative morphological changes are accompanied by cell contraction and rounding. Therefore, in the case of surface-adherent cells, as the apoptosis process proceeds with a low circularity value, the circularity value of adherent cells increases.

이러한 각 세포의 원형성 값의 정량적 분석을 통해 시약의 농도에 대한 세포고사(apoptosis)의 진행 정도를 분석하는 것이 가능하다. 도 8에서 세포독성물질을 처리하기 전의 표면 부착세포는 원형이 아닌 다각형(polygon)의 형상을 가지고 있고, 계산된 원형성 값 또한 0.5 부근의 넓은 수치분포를 갖는다. 그러나 세포독성물질을 처리한 후의 세포는 외관상으로도 원형에 가까워지고, 원형성 값은 1에 가까운 0.9 부근의 수치를 보인다. Through quantitative analysis of the circularity values of each cell, it is possible to analyze the progress of apoptosis with respect to the concentration of the reagent. In FIG. 8, the surface adherent cells before treating the cytotoxic substance have a shape of a polygon, not a circle, and the calculated circularity value also has a wide numerical distribution near 0.5. However, after treatment with cytotoxic substances, the cells appear to be circular in appearance, and the circularity value is near 0.9.

상기와 같은 식에 의해 세포 원형성을 계산할 수 있으나, 이외에도 세포의 부착세포의 세포고사 진행으로 인한 세포수축현상을 세포면적을 이용하여 다양한 식을 통해 정량화 할 수 있다. The cell prototyping can be calculated by the above formula, but in addition, the cell contraction phenomenon due to the cell death progression of the adherent cells of the cell can be quantified through various formulas using the cell area.

세포의 사멸과정은 세포고사, 괴사 등으로 나누어지는데 정상상태에서의 세포분열과 반대로 유해물질에 의해 노출로 인한 손상 받은 세포는 퇴화하는 방향으로 변화가 일어나기 때문에, 정상세포와 대비하여 다른 대사과정 즉, 그 중에서도 세포가 퇴화되는 죽음의 과정을 알아보면서 세포의 유해성물질에 대한 반응 기작을 확인할 수 있다. The cell death process is divided into apoptosis and necrosis. In contrast to normal cell division, cells damaged by exposure to harmful substances change in the direction of degeneration. In addition, the mechanism of response to harmful substances can be identified by examining the process of death in which cells degenerate.

여기서 세포의 죽음의 과정을 두 가지로 분류하면, 세포의 손상이 심해서 세포에서는 부종이 일어나고 용해가 일어나 세포 내용물이 밖으로 분출되는 '세포괴사(Necrosis)'라 불리는 세포 죽음의 과정이 일어난다. 또한 다른 세포의 죽음과정은 '세포고사(Apoptosis)'로 특징적으로 세포의 초기의 수축이며, 조직에서는 이웃하고 있는 세포들과 세포-세포 결합이 파괴되는 것을 의미한다. 세포고사 과정에서 세포의 부피는 작아지고 세포질 내의 내막, 리보솜, 사구체와 다른 세포 소기관등은 수축 된다. 이러한 과정에서 일어나는 응축은 매우 격렬하게 일어나기 때문에 응축된 부분에서 매우 뚜렷한 경계부를 형성한다. 전술한 세포고사의 이러한 과정을 알아보기 위해서 광학이미지로 확대하여 관찰하고 이미지분석 프로그램을 이용하여 정상세포와 다른 차이점을 관찰하는 것이 가능하다. The two processes of cell death are categorized into two types: cell death, edema, lysis, and cell contents, called 'necrosis'. The death process of other cells is also called 'apoptosis', which is the initial contraction of cells, which means that cell-cell bonds are destroyed in neighboring cells. In the process of apoptosis, the cell volume becomes smaller and the lining, ribosomes, glomeruli and other cell organelles in the cytoplasm contract. The condensation that occurs during this process is very intense and forms very distinct boundaries in the condensed part. In order to examine the process of the above-described cell test, it is possible to observe the magnified image with an optical image and observe the difference from normal cells using an image analysis program.

상기 미세유체 세포칩 내부에 2차원적으로 부착 성장한 세포들에 대한 광학이미지를 실시간으로 영상처리하여 세포의 사멸과정의 진행에 따른 세포형상의 변화를 원형성(Circularity)등의 변수로 정량적으로 표현하는 알고리즘을 이용하여 각세포의 원형성을 수치화할 수 있으며, 이러한 수치화된 형태 인자 값을 이용하여 세포사멸의 정도를 정량화하는 것이 가능하다. Optical image of cells grown two-dimensionally attached inside the microfluidic cell chip was imaged in real time to quantitatively express the change in cell shape according to the cell death process as variables such as circularity. It is possible to quantify the circularity of each cell by using an algorithm to quantify the degree of apoptosis using these numerical form factor values.

그러므로, 전술한 바와 같은 미세유체 세포칩 및 세포 형태 변화의 실시간 정량 방법을 이용하여 약물 검증 또는 세포독성 평가를 하는 것이 가능할 수 있다. Therefore, it may be possible to perform drug validation or cytotoxicity assessment using the microfluidic cell chip and real-time quantitative methods of cell morphology changes as described above.

세포 영상처리를 통한 세포계수 Cell count through cell image processing

본 발명에서는 도 9의 순서도에 나타낸 바와 같은 영상분석 프로그램의 자동화 과정을 통해 효과적으로 이미지 분석이 이루어진다. 일단 관심의 대상인 세포를 식별, 분류하기 위해서는 이미지를 불러오는 과정(Load image), 그리고 미디언 필터(Median filter), 필 홀(Fill Holes), 워터쉐드(watershed) 등의 과정을 이용하여 이미지상의 세포들을 인식하는데 생기는 오류를 줄일 수 있다. In the present invention, image analysis is effectively performed through an automated process of the image analysis program as shown in the flowchart of FIG. In order to identify and classify cells of interest, cells in the image can be loaded using image loading, median filters, fill holes, and watersheds. This can reduce the errors that occur in recognizing them.

이렇게 세분화된 세포는 분석 파티클(analyze particles) 기능을 통해 각 세포의 원형성(circularity), 면적(area), 크기(size), 위치 그리고 전체 세포의 개수(count) 등을 값을 추출해낸다. 상기의 영상처리 방법으로 얻어진 세포의 개수는 실제 세포의 수와 유사한 값을 나타내어 재현성 및 신뢰성 있는 결과를 가지며 이는 도 10에 나타내었다. 도 10은 세포계수를 추출 해내기 위해 만든 메크로로 계수한 후 실제 세포 수와 비교한 검정곡선(calibration curve) 그래프이다. y절편은 2.8961E-14, 기울기는 1.3033, 검정곡선의 상관계수 (R2)는 0.9616값을 나타낸다.These granular cells extract the values of circularity, area, size, location and total cell count of each cell through the analysis particle function. The number of cells obtained by the above image processing method shows a value similar to the number of actual cells, resulting in reproducibility and reliable results, which are shown in FIG. 10. FIG. 10 is a graph of calibration curves compared with actual cell numbers after counting macros made to extract cell counts. The y-intercept is 2.8961E-14, the slope is 1.3033, and the correlation coefficient (R 2 ) of the calibration curve is 0.9616.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, these Examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention will not be construed as being limited by these Examples.

실시예Example 1: 미세유체  1: microfluid 세포칩의Cell chip 제조 Produce

본 실시예에 따라 제조된 미세유체 세포칩의 기본적인 구조는 도 1과 같이, 효율적인 농도구배를 위해서는 도 2와 같이 제작하였다. The basic structure of the microfluidic cell chip prepared according to the present embodiment was manufactured as shown in FIG. 2 for an efficient concentration gradient as shown in FIG. 1.

본 발명에서 실행되는 디자인의 도안은 AutoCAD 2006(CADian 2008)으로 작성되었으며, 유체가 주입되는 주입구(도 1의 3, 5)와 유체가 유입되어 농도가 확산되는 부분(도 1의 1) microfluidic diffusion diluter(μDD), 유체가 흘러 방출되는 배출구(도 1의 6)로 구성되어 디자인하였다. The design of the design implemented in the present invention was created in AutoCAD 2006 (CADian 2008), the injection hole (3, 5 of Figure 1) and the fluid is injected into the concentration portion (1 of Figure 1) microfluidic diffusion The diluter (μDD), the fluid flow through the discharge port (6 of Figure 1) was designed.

랩온어칩의 제작은 포토리소그래피 방법을 이용하였으며, 세척된 Si 웨이퍼 (Si(111))에 포토레지스트 SU8 50 (Microchem社)을 약 3mL 를 부은 후, 500 rpm에서 20초, 750 rpm에서 60초 조건으로 Spin Coater(SPIN 1200)를 이용하여 회전 도포를 하였다. The fabrication of the lab-on-a-chip was performed using a photolithography method. After pouring about 3 mL of photoresist SU8 50 (Microchem) onto a cleaned Si wafer (Si (111)), 20 seconds at 500 rpm and 60 seconds at 750 rpm As a condition, the spin coating was performed using a spin coater (SPIN 1200).

디지털가열판 (Thermolyne)에 60℃에서 7분 처리한 후, 95℃에서 60분 동안 프리베이킹(prebaking)을 하였다. 투명한 필름 위에 20,000~40,000 dpi의 해상도로 인쇄 (마이크로텍, 안산)된 준비된 마스크(mask)를 얼라이너(aligner, Midas System) 이용하여 Si 웨이퍼 (Si(111))와 정렬한 후 포토레지스트(photoresist)에 75초 동안 선택적인 노광을 하였다. After 7 minutes at 60 ° C., the digital heating plate (Thermolyne) was prebaked at 95 ° C. for 60 minutes. After preparing a mask (Microtec, Ansan) printed on a transparent film at a resolution of 20,000 to 40,000 dpi, the photomask is aligned with a Si wafer (Si (111)) using an aligner (Midas System). Was subjected to selective exposure for 75 seconds.

다음으로 디지털가열판 (Thermolyne)에 65℃에서 5분 처리 한 후, 95℃에서 20분 동안 포스트베이킹(postbaking)을 하였다. PGMEA(Propylene Glycol Methyl Ether Acetate, Aldrich)를 배쓰(bath)에 채워 넣고 15분간 흔들어 노광되지 않은 나머지 PR을 제거하였다. 현상(develop)된 마스크에 트리클로로실란(tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl, Aldrich)으로 실란화 처리 한 후, IPA(isopropyl alcohol, J.T.Baker)로 세척하여 말린 후 보관해두었다. Next, after 5 minutes treatment at 65 ℃ to a digital heating plate (Thermolyne), it was postbaked (postbaking) at 95 ℃ for 20 minutes. PGMEA (Propylene Glycol Methyl Ether Acetate, Aldrich) was charged to the bath (bath) and shaken for 15 minutes to remove the remaining unexposed PR. The developed mask was silanized with trichlorosilane (tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl, Aldrich), washed with IPA (isopropyl alcohol, J.T.Baker), dried and stored.

랩온어칩 제작은 위에서 언급하여 패턴이 제작된 Si 웨이퍼에 184 실리콘 엘라스토머 키트(Sylgard)의 프리폴리머(prepolymer)와 경화제를 10:1의 질량비율로 혼합하여 섞은 PDMS 고분자를 붓고 60℃에서 3시간 동안 경화시켰다. 패턴이 없는 다른 한 층을 만들기 위해서 페트리디쉬(90 × 15 mm)에 동일한 PDMS 고분자를 붓고 60℃에서 3시간 동안 경화시켰다. 의료용 메스를 사용하여 PDMS를 Si 웨이퍼에 떼어낸 후, 디자인 부분에 맞게 자른 다음 서로 다른 층의 PDMS를 친수성 표면처리 하기 위해서 100W의 70%, 시간은 240초, O2의 양은 10cc/min의 산소 플라즈마(FEMTO Science)조건으로 처리하였다. Lab-on-a-chip fabrication was carried out by pouring PDMS polymer mixed with 184 silicon elastomer kit (Sylgard) prepolymer and curing agent at a mass ratio of 10: 1 on the Si wafer fabricated as mentioned above, at 60 ° C for 3 hours. Cured. The same PDMS polymer was poured into Petri dishes (90 × 15 mm) and cured at 60 ° C. for 3 hours to make another patternless layer. After taking using a medical scalpel off the PDMS to the Si wafer, 70% of 100W to process cut next to each other the PDMS of the other layer a hydrophilic surface according to the design section, time of oxygen in amount of 240 seconds, O 2 10cc / min Treatment was performed under plasma (FEMTO Science) conditions.

플라즈마 처리 후, 패턴된 PDMS가 아래층으로 되고, 패터닝이 없는 PDMS층이 위층이 되도록 신속하게 붙였다. 20분이 지난 후, 생검용 펀치 (Miltex Inc.)를 이용하여 유체가 주입되는 3개의 주입구(Inlet) 부분과 유체가 흘러 방출되는 배출구(Outlet) 부분을 구멍 뚫었다. 배출구부분은 직경 8 mm로 구멍 뚫었고, 3개의 주입구 부분 중에서 양쪽 끝은 튜브가 들어가는 부분으로, 가운데 부분은 세포의 호흡과 환경을 도와주기 위해서 직경 3 mm로 구멍 뚫은 후 100 W의 70%, 시간은 240초, O2의 양은 10cc/min의 Plasma (FEMTO Science) 친수성의 표면처리를 하고, 커버 슬립을 부착시켜 미세유체 세포칩 제작을 완성하였다. After the plasma treatment, the patterned PDMS became a lower layer and the PDMS layer without patterning was quickly attached so as to be the upper layer. After 20 minutes, a biopsy punch (Miltex Inc.) was used to drill the three inlet portions into which the fluid was injected and the outlet portion through which the fluid flowed out. The outlet part was drilled with a diameter of 8 mm, and both ends of the three inlet parts were filled with tubes, and the center part was drilled with a diameter of 3 mm to help the cell's respiration and environment. The time was 240 seconds, the amount of O 2 was 10cc / min Plasma (FEMTO Science) hydrophilic surface treatment, and the cover slip was attached to complete the microfluidic cell chip production.

이와 같이 제작된 미세유체 세포칩은 아래층의 패턴된 PDMS 표면의 친수성 확인과 기포제거를 위하여 먼저 물을 넣어서 확인하였다. The microfluidic cell chip thus prepared was first identified by adding water to confirm hydrophilicity and bubble removal of the patterned PDMS surface of the lower layer.

본 실시예에 따라 실제 제조된 미세유체 세포칩의 촬영 이미지를 도 5에 나 타내었다. The photographic image of the microfluidic cell chip actually manufactured according to the present embodiment is shown in FIG. 5.

실시예Example 2: 미세유체  2: microfluidic 칩내에On chip 2차원  2D 단일층의Monolayer 부착 세포군의 형성 Formation of adherent cell population

세포배양 용기에서 배양된 간세포 주(chang liver cell line)를 바닥면으로부터 104 ~ 105 cells/mL을 갖는 현탁액으로 추출하여 배출구에 흘려주었다. 배출구(세포주입구)에서부터 흘러간 세포는 도 1의 2 (a)의 세포배양 구간(2)에 접근하여 부착 세포군을 형성하였다. 하루에 2~3번씩 배지(RPMI 1640)를 배출구(세포주입구)에 흘려주어 교체하여 약 56시간 동안 배양함으로써 단일층의 세포 배양층을 형성하였다. The hepatocyte cell line (chang liver cell line) cultured in the cell culture vessel was extracted from the bottom surface into a suspension having 10 4 to 10 5 cells / mL and flowed to the outlet. Cells flowing from the outlet (cell inlet) approached the cell culture section 2 of Figure 2 (a) to form an adherent cell group. The medium (RPMI 1640) was poured into the outlet (cell inlet) 2-3 times a day and replaced to incubate for about 56 hours to form a single cell culture layer.

실시예Example 3: 표면부착 세포의 위치에 따라 서로 다른 화학물질 농도 환경에 노출 3: Exposure to different chemical concentrations depending on the location of surface-adherent cells

상기 실시예 2에서와 같이, (2)번 영역에서 배양된 세포에 대한 활성도를 측정할 수 있는 시료를 주입하여 농도 구배(gradient)를 형성할 수 있다. (3)과 (5)에 서로 다른 농도를 갖는 다른 종류의 유체를 주입하여 (1)구간에서 두 용액이 만나고 이를 통하여 형성된 층류(laminar flow)가 시간이 지남에 따라 확산됨으로써 다양한 농도의 세포독성물질을 갖는 배양용기를 만들었다.As in Example 2, a concentration gradient may be formed by injecting a sample capable of measuring activity against cells cultured in region (2). By injecting different types of fluids with different concentrations into (3) and (5), the two solutions meet in section (1) and the laminar flow formed through them diffuses over time, resulting in various concentrations of cytotoxicity. A culture vessel with the material was made.

도 2a의 미세유체 칩 내에서 트리판 블루(Invitrogen corporation, 0.4%) 염료를 이용한 농도구배의 형성을 구현하였다. 배지 주입구에는 증류수를 주입하고 시료 주입구에는 증류수로 5배 희석시킨 트리판 블루를 주입하면 서로 다른 농도의 두 용액이 만나게 되고 이를 통하여 형성된 층류(laminar flow)가 시간이 지남에 따라 확산됨으로써 다양한 농도의 트리판 블루 용액을 형성시켰다. 이와 같은 과정은 실린지 펌프를 이용하여 0.5μL/min의 유속으로 주입시켜 연속적인 유체의 흐름 상태로 만들어주었다. 적절한 농도 구배가 형성된 구간에서의 명시야 이미지를 얻고 이미지 처리 방법을 이용하여 흡광도를 측정하면 채널 위치에 따른 흡광도의 차이를 보여 농도 구배의 형성이 되었음을 확인할 수 있었다. 이에 대한 도면은 도 7에 나타내었다.The formation of the concentration gradient using trypan blue (Invitrogen corporation, 0.4%) dye in the microfluidic chip of FIG. Injecting distilled water into the medium inlet and trypan blue diluted 5 times with distilled water into the sample inlet meet the two solutions of different concentrations, and the laminar flow formed through this diffuses over time. Trypan blue solution was formed. This process was achieved by using a syringe pump at a flow rate of 0.5 μL / min to ensure a continuous flow of fluid. When the bright field image was obtained in the section where the proper concentration gradient was formed and the absorbance was measured using the image processing method, it was confirmed that the concentration gradient was formed due to the difference in absorbance according to the channel position. This is shown in Figure 7.

실시예Example 4: 화학물질  4: chemical 농도구배에In concentration gradient 세포 노출 Cell exposure

도 1의 (2)번 영역에 배양된 세포에 대한 활성도를 측정할 수 있는 독성물질의 농도 구배(gradient)를 형성하였다. (3) 주입구에 배지를 주입하고 (5)번 주입구에 카드뮴이 포함된 배지를 실린지 펌프를 이용하여 0.5μL/min의 유속으로 12시간 동안 주입하여 연속흐름 조건으로 카드뮴의 농도 구배를 형성하였다. 유체의 공급이 유지한 채로 12시간 동안 37℃ 온도 및 5% 이산화탄소 농도의 환경에서 세포를 배양 시켰다. 미세유체 세포칩의 구조에서 농도 구배 형성이 잘 이루어지는 가운데 부분을 광학 현미경을 이용하여 명시야(bright field) 이미지로 취득하여 도 11에 나타내었다.. A gradient of concentration of toxic substances was formed to measure the activity of the cells cultured in region (2) of FIG. 1. (3) the medium was injected into the inlet, and (5) the cadmium-containing medium was injected into the inlet for 12 hours using a syringe pump at a flow rate of 0.5 μL / min to form a concentration gradient of cadmium under continuous flow conditions. . Cells were incubated at 37 ° C. temperature and 5% carbon dioxide concentration for 12 hours while maintaining a fluid supply. The middle portion of the structure of the microfluidic cell chip having a good concentration gradient was obtained as a bright field image using an optical microscope and shown in FIG. 11.

도 12는 도 1의 세포칩에서 시약 노출 전후의 세포 형태를 촬영한 이미지인 도 11을 바탕으로 세포 형태 인자 값과 노출 농도 구간별 세포 분포의 값을 등고선(contour) 그래프로 표현한 도면(a) 이다. 도 12를 통해 시약의 농도가 상승함에 따라 세포의 원형성이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 도 12 (b)의 그래프에서 카드뮴의 농도에 따른 각 구간에서의 전체 세포 수에 대한 형태 인자 값 0.88-0.98의 범위에 해당하는 세포 수의 비율을 퍼센트(%)로 나타낸 그래프이다. 각각의 값에 대한 검정곡선(calibration curve)의 y축의 50% 값에 대한 x축의 값을 정의함으로써 간세포주에 대한 카드뮴의 중간 유효 농도(EC50, half maximal effective concentration)를 결정지을 수 있다. FIG. 12 is a diagram illustrating a cell shape factor value and a cell distribution according to exposure concentration intervals based on FIG. 11, which is an image of a cell morphology before and after reagent exposure in the cell chip of FIG. 1. to be. 12, it can be seen that the circularity of the cells increases as the concentration of the reagent increases. In the graph of Figure 12 (b) is a graph showing the percentage of the number of cells corresponding to the range of the form factor value 0.88-0.98 to the total number of cells in each section according to the concentration of cadmium. By defining the value of the x-axis for the 50% value of the y-axis of the calibration curve for each value, the half maximal effective concentration of cadmium can be determined for hepatocytes.

실시예Example 5: 영상 분석을 통하여 각 세포들의  5: image analysis of each cell 형태인자값들의Form factor values 추출 및 분석 Extraction and analysis

상기 실시예 3에 기술한 과정대로 얻은 각각의 명시야 이미지를 영상분석 프로그램을 이용하여 세포배양구간의 각 컴포넌트(2)에 있는 세포의 개수 및 세포 형태를 정량화함으로써 세포의 고사(apoptosis)진행 정도를 분석하였다. The degree of apoptosis progression of the cells by quantifying the number and shape of the cells in each component 2 of the cell culture section using the image analysis program for each bright field image obtained according to the procedure described in Example 3 above. Was analyzed.

상기 분석을 위하여 사용한 영상분석 시스템은 광학 이미지(명시야 이미지)를 취득하기 위해 광원인 텅스텐 램프(tungsten lamp)와 전하 결합 소자(charge coupling device: CCD)를 구비한 광학 현미경의 이용을 기본 기술로 이용하고, x-y-z 스테이지(stage) 위에 미세유체 칩을 올려 놓은 후 CCD 카메라와 연결된 컴퓨터로부터 미세유체 칩 내에 배양된 세포의 사멸과정 이미지를 취득하였고(도 13a), 미세유체 세포칩은 배지 및 시료 저장기(reservoir)와 연결된 실린지 펌프(syringe pump) 또는 중력에 의한 흐름을 이용한 연속 흐름 (continuous flow) 조건에서 세포배양이 가능하도록 배치하였다(도 13b). The image analysis system used for the analysis is based on the use of an optical microscope equipped with a tungsten lamp as a light source and a charge coupling device (CCD) to acquire an optical image (bright field image). After the microfluidic chip was placed on the xyz stage, images of the apoptosis process of cells cultured in the microfluidic chip were acquired from a computer connected to the CCD camera (FIG. 13A). Cell culture was performed in a continuous flow condition using a syringe pump connected to a reservoir or a flow by gravity (FIG. 13B).

현미경의 미세유체칩 플랫폼에는 5%의 CO2 , 37℃를 유지하여 세포배양 인큐베 이터와 유사한 세포배양 환경을 현미경상에 구비할 수 있었으며, 실시간 세포영상 촬영을 가능하게 하였다. 컴퓨터에 저장된 이미지는 영상처리 소프트웨어를 이용하여 분석하였다. The microfluidic chip platform of the microscope was able to provide a cell culture environment similar to that of the cell culture incubator by maintaining 5% CO 2 and 37 ° C., enabling real-time cell imaging. Images stored in the computer were analyzed using image processing software.

상기 분석을 통해 비교적 낮은 농도의 카드뮴에 노출된 컴파트먼트(compartment)의 세포는 낮은 원형성(circularity) 값을 갖지만 높은 농도의 카드뮴에 노출된 컴포넌트의 세포는 높은 형태인자(circularity) 값을 갖는 분석 결과를 얻을 수 있었다. 배양용기에 부착되어 자라는 세포의 형태인자 평균값은 0.5~0.7 사이에 존재하며, 고사사멸과정을 거치며 형태가 변한 세포의 형태인자 값은 0.8 이상의 값을 갖는 것을 알 수 있었다. 이에 대한 원형성 값들의 변화를 표시한 도표를 도 8 에 나타내었다. In this assay, cells of compartments exposed to relatively low concentrations of cadmium have low circularity values, but cells of components exposed to high concentrations of cadmium have high circularity values. An analysis result was obtained. The mean value of the form factor of the cells attached to the culture vessel grows between 0.5 and 0.7, and the value of the form factor of the cell whose shape is changed through the apoptosis process has a value of 0.8 or more. A diagram showing the change in circularity values for this is shown in FIG. 8.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be understood that the invention may be varied and varied without departing from the scope of the invention. Many embodiments other than the above-described embodiments are within the scope of the claims of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 미세유체 세포칩의 기본적인 구조를 나타낸 것이다. 1 shows the basic structure of the microfluidic cell chip according to the present invention.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 미세유체 세포칩을 개략적으로 나타낸 도면이다. 여기서, (a)는 세포 부착 배양 구간을 포함하는 미세유체 채널 구조이며, (b)는 미세유체의 막 밸브 시스템의 구조이며, (c)는 상기 미세유체 채널 구조 및 막 밸브 시스템이 결합된 칩의 부분도이다. 2 is a view schematically showing a microfluidic cell chip according to an embodiment of the present invention. Here, (a) is a microfluidic channel structure including a cell attachment culture section, (b) is a structure of the membrane valve system of the microfluidic, (c) is a chip in which the microfluidic channel structure and the membrane valve system is combined It is a partial view of.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 미세유체 세포칩으로서 복수개의 확산 구간과 단순 세포배양구간이 결합되어 있는 미세유체 세포칩이다. 3 is a microfluidic cell chip in which a plurality of diffusion sections and a simple cell culture section are combined as the microfluidic cell chip according to an embodiment of the present invention.

도 4는 한 개의 확산 구간과 복수개의 세포배양 용기로 구성되어 있으며 도2a와 유사하지만 막밸브가 장착되어 있지 않아 도 1의 미세유체 칩과 같이 실린지 펌프를 이용하여 연속흐름 조건이 적용되는 세포칩이다. Figure 4 is composed of one diffusion section and a plurality of cell culture vessels and similar to Figure 2a but not equipped with a membrane valve is a cell that is applied to the continuous flow conditions using a syringe pump like the microfluidic chip of Figure 1 Chip.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 제조된 미세유체 세포칩의 촬영 이미지이다. 막밸브가 장착되어 정적흐름의 조건을 갖는 세포칩(왼쪽)과 연속흐름 조건을 갖는 세포칩(오른쪽)이다. Figure 5 is a photographed image of the microfluidic cell chip prepared according to an embodiment of the present invention. Membrane valves are equipped with cell chips (left) with static flow conditions and cell chips (right) with continuous flow conditions.

도 6는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따를 미세유체 세포칩 내의 세포 배양 구간의 개요도와, 세포 배양 구간에서 시간에 따라 S자형 세포 성장 곡선을 나타냄을 보여주는 이미지 및 그래프이다. Figure 6 is a schematic diagram of the cell culture section in the microfluidic cell chip according to a preferred embodiment of the present invention, images and graphs showing the S-shaped cell growth curve with time in the cell culture section.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 세포 배양 구간에 시약의 농도 구배가 형성된 것을 나타낸 그래프 및 촬영 이미지이다. 7 is a graph and a photographed image showing that the concentration gradient of the reagent is formed in the cell culture section according to an embodiment of the present invention.

도 8은 시료로서 세포독성물질을 도 2(a) 칩의 세포배양구간에 처리하기 전 과 후의 사진 및 및 가 세포에서 원형성 값을 계산하여 나타낸 것이다.Figure 8 shows the calculated values of the circularity in the photographs and and before and after treatment of the cytotoxic material as a sample in the cell culture section of the chip of Figure 2 (a).

도 9는 본 발명에서 사용되는 영상분석 프로그램의 이미지 분석 과정을 나타낸 순서도이다.9 is a flowchart illustrating an image analysis process of an image analysis program used in the present invention.

도 10은 도 9에 따른 영상처리 방법으로 얻어진 세포의 개수의 실제 세포의 수와 유사한 값을 나타내어 재현성 및 신뢰성 있는 결과를 가지는 것을 나타내기 위해, 세포계수를 추출 해내기 위해 만든 메크로로 계수한 후 실제 세포 수와 비교한 검정곡선(calibration curve) 그래프이다.Figure 10 shows the value similar to the actual number of cells of the number of cells obtained by the image processing method according to Figure 9 to show the reproducibility and reliable results, after counting the macro coefficients made to extract the cell count A calibration curve graph compared to the actual cell number.

도 11은 도 1의 칩에서 시약 노출 전후의 세포 형태를 촬영한 이미지를 나타낸 도면이다.FIG. 11 is a diagram illustrating an image of a cell morphology before and after reagent exposure in the chip of FIG. 1.

도 12는 세포 형태 인자 값과 노출 농도 구간별 세포 분포의 값을 등고선(contour) 그래프로 표현한 도면(a)와 이것을 바탕으로 중간 유효 농도(half maximal effective concentration)을 나타낸 그래프(b)이다.FIG. 12 is a diagram (a) representing a cell form factor value and a value of a cell distribution according to an exposure concentration section (a) and a graph (b) showing a half maximal effective concentration based on the contour graph.

도 13은 본 발명에서 영상 분석을 위하여 사용한 영상분석 시스템의 구조를 나타낸 것이다. 13 shows the structure of an image analysis system used for image analysis in the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1: 미세유체의 확산 구간1: Diffusion section of microfluid

2: 세포 배양 구간2: cell culture section

3, 4, 5: 유체주입구3, 4, 5: fluid inlet

3: 배지주입구3: badge inlet

5: 시료주입구5: sample inlet

6: 배출구(세포주입구)6: outlet (cell inlet)

7, 8: 막 밸브 채널7, 8: membrane valve channel

9, 10: 막 밸브를 제어하는 압력 주입구9, 10: pressure inlet to control the membrane valve

Claims (18)

배지주입구;Medium inlet; 상기 배지주입구와 별개로 형성되는 시료주입구;A sample inlet formed separately from the medium inlet; 상기 배지 주입구 및 시료 주입구로부터의 채널이 합류하여 연결되는 미세유체 채널을 구비하는 미세유체의 확산 구간;A diffusion section of the microfluid having a microfluidic channel to which the channels from the medium inlet and the sample inlet are joined and connected; 상기 미세유체의 확산 구간에 연결되고 세포의 부착 배양이 이루어지는 세포 배양구간; 및A cell culture section connected to the diffusion section of the microfluid and in which cell culture is performed; And 상기 세포 배양 구간에 연결되는 배출구를 포함하는 미세유체 세포칩.Microfluidic cell chip comprising an outlet connected to the cell culture section. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 세포 배양 구간은 미세유체의 흐름을 제어하기 위한 밸브 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 미세유체 세포칩.The cell culture section is a microfluidic cell chip, characterized in that it comprises a valve system for controlling the flow of the microfluid. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 밸브 시스템은 공기압을 이용하는 막(membrane) 밸브 시스템으로서, 주입구 공기압 밸브와 배출구 공기압 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 세포칩.The valve system is a membrane valve system using air pressure, the microfluidic cell chip comprising an inlet air pressure valve and an outlet air pressure valve. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 미세유체의 확산 구간 및 세포 배양 구간으로부터 선택되는 하나 이상은 복수 개의 채널로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세유체 세포칩.One or more selected from the diffusion section and the cell culture section of the microfluidic microfluidic cell chip, characterized in that formed in a plurality of channels. 제4항에 있어서, 상기 미세유체 확산구간 및 세포 배양 구간으로부터 선택되는 하나 이상은 복수 개의 단으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세유체 세포칩.The microfluidic cell chip according to claim 4, wherein at least one selected from the microfluidic diffusion section and the cell culture section is formed in a plurality of stages. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 배출구로 또는 별도의 세포주입구를 이용하여 세포가 주입되는 것을 특징으로 하는 미세유체 세포칩.Microfluidic cell chip, characterized in that the cells are injected into the outlet or using a separate cell inlet. 제1항에 있어서, 상기 세포칩은 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane), PDMS), 폴리메틸메타클릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리아크리레이트(polyacrylates), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리시클릭 올레핀(polycyclic olefins), 폴리이미드(polyimides) 및 폴리우레탄(polyurethanes)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자 재질로 제조된 것을 특징으로 하는 미세유체 세포칩. The method of claim 1, wherein the cell chip is a poly dimethylsiloxane (poly (dimethylsiloxane), PDMS), polymethyl methacrylate (polymethylmethacrylate (PMMA), poly acrylates (polyacrylates), polycarbonates, polycyclic olefins (Polycyclic olefins), polyimides (polyimides) and polyurethane (polyurethanes) microfluidic cell chip, characterized in that made of a polymeric material selected from the group consisting of. 제1항에 있어서, 상기 미세유체 세포칩은 슬라이드 글라스, 크리스탈 및 유리 글라스로 구성된 군으로부터 선택되는 광학적 측정이 용이한 플레이트 상부에 접합되는 것을 특징으로 하는 미세유체 세포칩.The microfluidic cell chip according to claim 1, wherein the microfluidic cell chip is bonded to an upper plate for easy optical measurement selected from the group consisting of slide glass, crystal, and glass glass. 배지주입구, 상기 배지주입구와 별개로 형성되는 시료주입구, 상기 배지 주입구 및 시료 주입구로부터의 채널이 합류하여 연결되는 미세유체 채널을 구비하는 미세유체의 확산 구간, 상기 미세유체의 확산 구간에 연결되고 세포의 부착 배양이 이루어지는 세포 배양구간 및 상기 세포 배양 구간에 연결되는 배출구를 포함하는 미세유체 세포칩을 준비하는 단계; A diffusion section of the microfluid having a medium inlet, a sample inlet formed separately from the medium inlet, a microfluidic channel connected to the channels from the medium inlet and the sample inlet, and connected to the diffusion section of the microfluid; Preparing a microfluidic cell chip comprising a cell culture section in which the adhesion culture of the cell is formed and an outlet connected to the cell culture section; 상기 배출구를 통해 세포를 주입시킨 후 일정시간 간격으로 배지를 배출구로 배출시키며 세포를 배양하여 상기 세포 배양 구간상에 부착된 단일 세포층을 형성하는 단계; Injecting cells through the outlet to discharge the medium to the outlet at predetermined time intervals and culturing the cells to form a single cell layer attached on the cell culture section; 상기 시료 주입구를 통해 시료를 주입하고 미세유체의 확산구간을 통과시켜 농도구배가 형성된 시료에 상기 단일 세포층을 노출시키는 단계; 및Injecting a sample through the sample inlet and passing a diffusion section of the microfluid to expose the single cell layer to a sample having a concentration gradient formed thereon; And 상기 시료에 노출된 세포층이 존재하는 세포 배양 구간을 촬영하고 촬영된 이미지로부터 각 세포의 형태인자 값을 추출하여 세포사멸정도를 정량화 하는 단계Taking a cell culture section in which the cell layer exposed to the sample is present and quantifying the degree of cell death by extracting the value of the form factor of each cell from the photographed image 를 포함하는 미세유체 세포칩을 이용한 세포사멸 정도의 정량 분석법.Quantitative analysis of apoptosis degree using a microfluidic cell chip comprising a. 제9항에 있어서, 상기 미세유체 세포칩의 미세유체의 확산구간 또는 세포 배양 구간은 복수개의 채널로 형성되거나, 복수 개의 단으로 형성되는 것을 특징으로 하는 세포사멸 정도의 정량 분석법.The method of claim 9, wherein the microfluidic diffusion of the microfluidic cell chip or the cell culture section is formed of a plurality of channels, or a plurality of stages characterized in that the quantitative analysis of the degree of cell death. 제9항에 있어서, 상기 세포배양구간의 촬영 및 세포사멸정도의 정량화는 실 시간으로 실시하는 것을 특징으로 하는 세포사멸 정도의 정량 분석법.The method of claim 9, wherein the quantitative analysis of the degree of apoptosis, characterized in that the quantification of the imaging and the degree of cell death between the cell culture section. 제9항에 있어서, 상기 세포사멸 정도의 정량화를 통해 시료의 세포독성을 평가하는 것을 특징으로 하는 세포사멸 정도의 정량 분석법.10. The quantitative analysis method of claim 9, wherein the cytotoxicity of the sample is evaluated by quantification of the degree of apoptosis. 제9항에 있어서, 10. The method of claim 9, 상기 각 세포의 형태인자 값은 하기의 식으로 계산되는 세포 원형성 값임을 특징으로 하는 세포사멸 정도의 정량 분석법.Form factor value of each cell is a quantitative analysis of the degree of cell death, characterized in that the cell circularity value calculated by the following formula. 원형성 = 4π×(세포면적/세포둘레2)Circularity = 4π × (cell area / cell circumference 2 ) 제9항에 있어서, 10. The method of claim 9, 상기 세포 배양 구간을 촬영하고 촬영된 이미지로부터 각 세포의 형태인자 값을 추출하여 세포사멸정도를 정량화 하는 단계는 Taking the cell culture section and quantifying the degree of apoptosis by extracting the value of the form factor of each cell from the photographed image 촬영된 이미지 내의 세포들을 식별하여 분할(segmentation)하는 단계;Identifying and segmenting cells in the photographed image; 식별된 세포들로부터 세포 형태인자를 추출하는 단계; 및Extracting a cell form factor from the identified cells; And 추출한 세포형태인자와 세포사멸정도의 상관관계를이용하여 세포사멸을 정량화 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포사멸 정도의 정량분석법. Quantifying the degree of cell death characterized in that it comprises the step of quantifying apoptosis using the correlation between the extracted cell form factor and the degree of cell death. 1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 미세유체 세포칩; 및Microfluidic cell chip according to any one of claims 1 to 8; And 실시간으로 세포배양구간을 촬영 및 분석하기 위한 광학영상분석 장치를 포 함하는 세포 영상분석장치.Cell image analysis device including an optical image analysis device for photographing and analyzing the cell culture section in real time. 제15항에 있어서, The method of claim 15, 상기 세포 영상분석장치는 약물의 세포독성을 평가하기 위한 것을 특징으로 하는 세포 영상분석장치.The cell image analysis device is a cell image analysis device, characterized in that for evaluating the cytotoxicity of drugs. 제15항에 있어서, The method of claim 15, 상기 광학영상분석 장치는 광학이미지 취득을 위한 가시광선영역에서의 광원으로서 텅스텐 램프(tungsten lamp), LED 광원 및 레이져광원으로 이루어진 군으로부터 선택되는 광원;The optical image analyzing apparatus includes a light source selected from the group consisting of a tungsten lamp, an LED light source, and a laser light source as a light source in a visible light region for optical image acquisition; 대물렌즈로부터 모아진 세포영상을 검출하는 CCD(Charge Coupled Device) 카메라;A charge coupled device (CCD) camera for detecting a cell image collected from an objective lens; 미세유체칩을 포함하는 세포 배양시스템을 배치시키기 위한 세포배양 플랫폼;A cell culture platform for placing a cell culture system including a microfluidic chip; 상기 CCD로 부터 얻어진 이미지를 분석/처리하여 세포형태인자를 추출하고 세포사멸과정을 정량화 할 수 있는 영상처리 프로그램을 포함하는 컴퓨터 시스템인 것을 특징으로 하는 세포 영상분석장치. And a computer system comprising an image processing program capable of analyzing / processing an image obtained from the CCD to extract a cell form factor and quantifying a cell death process. 제17항에 있어서, The method of claim 17, 상기 세포배양 플랫폼은 세포배양을 위한 온도조건 및 대기포화조건의 조절 이 가능한 것을 특징으로 하는 세포 영상분석장치.The cell culture platform is a cell image analysis device, characterized in that the control of temperature and atmospheric saturation conditions for cell culture.
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