KR101276187B1 - 세포 채집 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혈액, 생리학적 유체 등의 유체 샘플로부터 표적세포를 여과하여 관벽쪽에서 포집할 수 있는 세포 채집 장치를 개시한다. 본 발명은 표적세포를 포함하고 있는 유체샘플을 수송하기 위한 통로와 관벽을 갖는 도관과, 통로에 설치되어 있고 표적세포를 여과하는 복수의 여과구멍들을 가지며 관벽과 만나는 경계부로 표적세포의 흐름을 유도하여 표적세포를 포집하는 스크린필터로 구성되어 있다. 본 발명에 의하면, 유체샘플로부터 여과되는 표적세포의 흐름이 관벽쪽으로 유도되어 포집되므로, 통로의 중앙에서 유체샘플의 흐름이 원활하게 유지되어 다량의 유체샘플을 효율적으로 처리할 수 있다.

Description

세포 채집 장치{CELLS COLLECTION APPARATUS}
본 발명은 세포 채집 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 혈액(Blood), 생리학적 유체(Physiological fluid) 등의 유체샘플(Fluid sample)로부터 표적세포(Target cell)를 여과하여 관벽쪽에서 포집할 수 있는 세포 채집 장치에 관한 것이다.
최근 인간의 질병을 치료하기 위한 동물시험 및 임상시험에 대한 규제가 강화되고 있다. 이러한 동물시험 및 임상시험을 대체하기 위하여 인간의 혈액으로부터 살아있는 세포(Live cell)를 채집하기 위한 연구와 기술의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 세포의 채집은 미세유체장치(Microfluidic device), 씨티씨칩(CTC chip, Circulating tumor cells chip), 필터(Filter) 등 다양한 세포 채집 장치들에 의하여 실시되고 있다.
혈액으로부터 세포를 여과하기 위한 필터는 미국 특허출원공개 제2007/0025883A1호와 미국 특허출원공개 제2009/0188864A1호 등 많은 특허 문헌들에서 찾아볼 수 있다. 이 특허 문헌들의 필터는 멤브레인(Membrane)으로 구성되어 있고, 세포의 여과를 위하여 형성되어 있는 복수의 기공(Pore)들을 구비하고 있다. 그러나 필터의 기공들이 암세포에 의하여 쉽게 막혀 혈액의 흐름이 원활하지 못한 문제가 있다.
본 발명은 상기한 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 혈액, 생리학적 유체 등의 유체샘플로부터 표적세포를 여과하여 관벽쪽에서 포집하기 위한 세포 채집 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 통로의 중앙에서 유체샘플의 흐름이 원활하게 유지되어 다량의 유체샘플을 효율적으로 처리할 수 있는 세포 채집 장치를 제공함에 있다.
이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 표적세포를 포함하고 있는 유체샘플을 수송하기 위한 통로와 관벽을 갖는 도관과; 통로에 설치되어 있고, 표적세포를 여과하는 복수의 여과구멍들을 가지며, 관벽과 만나는 경계부로 표적세포의 흐름을 유도하여 표적세포를 포집하는 스크린필터로 이루어지는 세포 채집 장치에 있다.
또한, 스크린필터는 유체샘플의 흐름 방향을 따라 통로에 경사지게 설치되어 있고, 유체샘플의 흐름 방향 선단에 표적세포를 수용하도록 형성되어 있는 트랩을 갖는 것에 있다.
본 발명에 따른 세포 채집 장치는 유체샘플로부터 여과되는 표적세포의 흐름이 관벽쪽으로 유도되어 포집되므로, 통로의 중앙에서 유체샘플의 흐름이 원활하게 유지되어 다량의 유체샘플을 효율적으로 처리할 수 있다. 따라서 인간의 혈액 등으로부터 세포를 분리하여 채취하거나 암환자의 혈액을 체외로 순화시키면서 혈액 속의 암세포를 제거하여 치료하는데 매우 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 세포 채집 장치의 구성을 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 세포 채집 장치의 구성을 절제하여 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 세포 채집 장치의 구성을 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 세포 채집 장치에서 스크린필터의 다른 실시예를 절제하여 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 세포 채집 장치에서 스크린필터의 다른 실시예를 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 세포 채집 장치에서 스크린필터의 또 다른 실시예를 절제하여 나타낸 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 세포 채집 장치에서 스크린필터의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 세포 채집 장치에서 스크린필터의 또 다른 실시예를 절제하여 나타낸 사시도,
도 9는 본 발명에 따른 세포 채집 장치에서 스크린필터의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도,
도 10은 본 발명에 따른 세포 채집 장치에서 스크린필터의 또 다른 실시예를 절제하여 나타낸 사시도,
도 11은 본 발명에 따른 세포 채집 장치에서 스크린필터의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 세포 채집 장치에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 세포 채집 장치는 유체샘플(2)에 포함되어 있는 표적세포(4)들을 비표적세포(Non-target cell: 6)들로부터 여과하여 포획한다. 유체샘플(2)은 인간 또는 동물의 타액, 땀, 소변 등의 생리학적 유체, 혈액, 세럼(Serum)으로 이루어진다. 또한, 유체샘플(2)은 인간, 동물, 식물의 세포, 조직 등의 표적세포(4)들을 포함하는 유체로 선택되거나 바이러스, 박테리아 등을 포함하는 유체 등으로 다양하게 선택될 수 있다. 유체샘플(2)이 혈액으로 선택될 경우, 표적세포(4)들은 혈액에 포함되어 있고 서로 다른 크기를 갖는 세포들로 된다. 혈액 속의 세포들은 적혈구(Red blood cell), 백혈구(White blood cell), 암세포 등이 있다. 본 실시예에 있어서 표적세포는 암세포로 선택되고, 비표적세포는 적혈구와 백혈구로 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 세포 채집 장치는 유체샘플(2)의 수송을 위한 도관(10)을 구비한다. 도관(10)은 표적세포(4)들을 포함하고 있는 다량의 유체샘플(2)을 원활하게 수송하도록 형성되어 있는 통로(12)와 관벽(14)을 갖는다. 통로(12)는 원형 단면, 사각형 단면 등으로 다양하게 형성될 수 있다. 도관(10)은 상부도관(16a)과 하부도관(16b)으로 분할되어 있다. 상부도관(16a)과 하부도관(16b)은 접합, 억지끼움, 나사 체결 등에 의하여 단일의 통로(12)를 형성하도록 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 세포 채집 장치는 도관(10)의 통로(12)에 설치되어 있는 스크린필터(Screen filter: 20)를 구비한다. 스크린필터(20)는 표면(22), 이면(24), 가장자리(26)와 표적세포(4)들을 여과하도록 형성되어 있는 복수의 여과구멍(28)들을 갖는다. 여과구멍(28)들은 표적세포(4)들의 직경보다 작은 크기를 갖도록 형성되어 있다. 스크린 필터(20)는 금속, 예를 들어 스테인리스스틸(Stainless steel), 니켈(Nickel), 알루미늄(Aluminum), 동(Copper)을 소재로 제작될 수 있다. 마이크로미터 크기의 여과구멍(28)들은 멤스(MEMS, Micro-electro mechanical systems; 미세전기기계시스템) 기술을 이용한 에칭(Etching) 또는 전기주조(Electroforming)에 의하여 형성될 수 있다. 이러한 스크린필터(20)는 통로(12)를 흐르는 혈액(2)의 압력에 의하여 변형되지 않는다.
한편, 스크린필터(20)의 가장자리(26)는 상부도관(16a)의 하단과 하부도관(16b)의 상단 사이에 개재되어 있고, 표면(22)은 관벽(14)과 만나고 있다. 스크린필터(20)는 관벽(14)과 표면(22)이 접하고 있는 경계부(30)로 표적세포(4)들의 흐름을 유도하는 형상을 갖는다. 본 실시예에 있어서 스크린필터(20)의 가장자리(26)가 상부도관(16a)과 하부도관(16b) 사이에 끼워져 있는 것이 도시되고 설명되어 있으나, 스크린필터(20)는 가장자리(26)가 관벽(14)에 밀착되도록 통로(12)에 설치될 수 있다.
스크린필터(20)는 유체샘플(2)의 흐름 방향 선단에서 관벽(14)과 만나는 경계부(30)에 표적세포(4)들을 포집하기 위하여 유체샘플(2)의 흐름 방향을 따라 통로(12)에 경사지게 설치되어 있다. 즉, 경사져 있는 스크린필터(20)의 하류부(Downstream portion)와 관벽(14) 사이의 경계부(30)는 표적세포(4)들이 모이는 영역으로 된다. 본 실시예에 있어서 스크린필터(20)의 기울기는 표적세포(4)들이 표면(22)을 따라 흘러내릴 수 있을 정도이면 충분하다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 경계부(30)와 근접하는 도관(10)의 외면에 경계부(30)와 연결되는 배출구멍(18)이 형성되어 있다. 경계부(30)에 모인 표적세포(4)들은 배출구멍(18)을 통하여 도관(10) 밖으로 배출하여 채집할 수 있다. 배출구멍(18)은 공지의 밸브에 의하여 여닫을 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 세포 채집 장치에 있어서, 유체샘플(2)은 유체샘플 공급수단에 의하여 도관(10)의 상류에 공급된다. 유체샘플 공급수단은, 예를 들어 정량의 혈액을 저장하여 도관(10)의 상류에 공급할 수 있는 주사기(Syringe), 채혈관(Blood collection tube), 백(Bag), 팩(Pack) 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 또한, 유체샘플 공급수단은 시린지펌프(Syringe pump), 플런저펌프(Plunger pump) 등으로 구성될 수도 있다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 도관(10)의 상류에 유체샘플(2)이 공급되면, 통로(12)를 따라 유동되던 유체샘플(2) 속의 표적세포(4)들은 여과구멍(28)들을 통과하지 못한다. 표적세포(4)들은 스크린필터(20)의 높은 곳에서 표면(22)을 따라 흘러내려 경사져 있는 스크린필터(20)의 하류단부로 유도되고, 관벽(14)과 표면(22)이 만나는 경계부(30)에 모이게 된다.
한편, 유체의 유동속도분포(Flow velocity profile: P)는 관마찰손실(Pipe friction loss)에 의하여 통로(12)의 중앙 부근에서 유속이 가장 빠르고, 관벽(14)으로 갈수록 유속이 느려지는 것으로 나타난다. 관벽(14)과 근접하는 표면(22)의 상류와 이면(24)의 하류에서 압력과 유속의 저하가 작게 나타난다.
유속이 가장 빠른 스크린필터(20)의 중앙에서 여과구멍(28)들에 여과되는 표적세포(4)들은 표면(22)을 따라 스크린필터(20)의 하류단부로 신속하게 흘러내려간다. 스크린필터(20)의 중앙에서 비표적세포(6)들, 일례로 적혈구는 여과구멍(28)들을 신속하게 통과한다. 따라서 표적세포(4)들과 비표적세포(6)들에 의한 여과구멍(28)들의 막힘이 방지되어 유체샘플(2)의 흐름을 원활하게 유지할 수 있으므로, 다량의 유체샘플(2)로부터 표적세포(4)들을 효율적으로 여과할 수 있다.
본 발명에 따른 세포 채집 장치의 스크린필터(20)는 도 3에 도시되어 있는 직선형이외에도 극대점이 중앙에 위치되어 있는 곡선형, 단조증가 또는 단조감소 곡선형으로 구성될 수 있다. 극대점이 중앙에 위치되어 있는 곡선형 스크린필터는 중앙부에서 그 접선의 기울기가 가장 완만하며, 가장자리로 갈수록 점진적으로 기울기가 증가되는 양상을 보인다. 따라서 통로(12)의 중앙에서 유체샘플(2)의 유속이 빠르지 않은 경우에도 관벽(14)쪽에 표적세포(4)들을 효율적으로 모을 수 있다.
한편, 경계부(30)에 모인 표적세포(4)들은 배출구멍(18)을 통하여 도관(10) 밖으로 배출하여 채집할 수 있다. 작업자는 배출구멍(18)을 통하여 도관(10) 밖으로 배출되는 표적세포(4)들은 시험관, 배양접시 등에 수거하여 간편하게 채집할 수 있다.
도 4와 도 5에 본 발명에 따른 세포 채집 장치에서 스크린필터의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 4와 도 5를 참조하면, 다른 실시예의 스크린필터(120)는 표면(122), 이면(124), 가장자리(126), 표적세포(4)들을 여과하도록 형성되어 있는 복수의 여과구멍(128)들을 갖는다. 스크린필터(120)는 유체샘플(2)의 흐름 방향 선단에서 관벽(14)과 만나는 경계부(130)에 표적세포(4)들을 포집하도록 통로(12)에 유체샘플(2)의 흐름 방향을 따라 경사지게 설치되어 있다.
스크린필터(120)는 그 중앙에서 상류단부를 향하여 형성되어 있는 오목곡면부(132)와 하류단부를 향하여 형성되어 있는 볼록곡면부(134)를 갖는 이중 곡선형으로 구성되어 있다. 오목곡면부(132)와 볼록곡면부(134)는 파형을 이루도록 자연스럽게 연결되어 있다. 오목곡면부(132)에서는 비표적세포(6)들이 여과구멍(28)들을 원활하게 통과한다. 표적세포(4)들은 볼록곡면부(134)를 지나 경계부(130)로 신속하게 이동되어 포집된다. 따라서 다량의 유체샘플(2)로부터 표적세포(4)들을 비표적세포(6)들로부터 여과하여 관벽(14) 부위에 집중적으로 포집할 수 있다.
한편, 오목곡면부(132)와 볼록곡면부(134)를 갖는 이중 곡선형 또는 단일 곡선형 스크린필터(120)에 있어서 곡률의 변경에 따라 접선의 기울기가 변화된다. 접선의 기울기는 관벽(14)쪽으로 표적세포(4)들의 흐름을 유도하는 효율과 관계가 있다. 이러한 이중 곡선형 또는 단일 곡선형 스크린필터(120)의 곡률은 유체의 유동속도분포에 따라 조절하여 표적세포(4)의 포집율을 높일 수 있다.
도 6과 도 7에 본 발명에 따른 세포 채집 장치에서 스크린필터의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 6과 도 7을 참조하면, 또 다른 실시예의 스크린필터(220)는 표면(222), 이면(224), 가장자리(226)와 표적세포(4)들을 여과하도록 형성되어 있는 복수의 여과구멍(228)들을 갖는다. 스크린필터(220)는 유체샘플(2)의 흐름 방향 선단에서 관벽(14)과 만나는 경계부(230)에 표적세포(4)들을 포집하도록 통로(12)에 유체샘플(2)의 흐름 방향을 따라 경사지게 설치되어 있다.
스크린필터(220)는 상류단부로부터 하류단부를 향하여 완만한 곡률을 갖도록 형성되어 있는 오목곡면부(232)와 볼록곡면부(234)를 갖는다. 스크린필터(220)는 유체샘플(2)의 흐름 방향 선단에 표적세포(4)를 수용하도록 오목하게 형성되어 있는 트랩(Trap: 236)을 갖는다. 트랩(236)은 관벽(14)과 트랩(236) 사이에 표적세포(4)들을 집적할 수 있는 포켓 형상(Pocket shape)으로 형성되어 있다. 오목곡면부(232)와 볼록곡면부(234)는 표적세포(4)들의 흐름을 트랩(236)으로 유도한다. 표적세포(4)들은 경사져 있는 표면(222)을 따라 하류단부로 유도되어 트랩(236) 안에 포집된다. 따라서 다량의 유체샘플(2)로부터 표적세포(4)들을 비표적세포(6)들로부터 여과하여 트랩(236)에 효율적으로 포집할 수 있다. 트랩(236)에 모인 표적세포(4)들은 배출구멍(18)을 통하여 도관(10) 밖으로 배출시킬 수 있다.
도 8과 도 9에 본 발명에 따른 세포 채집 장치에서 스크린필터의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 8과 도 9를 참조하면, 또 다른 실시예의 스크린필터(320)는 표면(322), 이면(324), 가장자리(326)와 표적세포(4)들을 여과하도록 형성되어 있는 복수의 여과구멍(328)들을 갖는다. 스크린필터(320)는 표적세포(4)들이 표면(322)을 따라 흘러 내려 트랩(336)에 수용되도록 통로(12)에 유체샘플(2)의 흐름 방향을 따라 경사지게 설치되어 있다. 스크린필터(320)는 트랩(336)으로부터 상류단부를 향하여 볼록하게 형성되어 있는 볼록곡면부(334)를 갖는다. 볼록곡면부(334)는 표적세포(4)들의 흐름을 트랩(336)으로 신속하게 유도한다. 따라서 다량의 유체샘플(2)로부터 표적세포(4)들을 비표적세포(6)들로부터 여과하여 트랩(436)에 집중적으로 포집할 수 있다.
도 10과 도 11에 본 발명에 따른 세포 채집 장치에서 스크린필터의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 10과 도 11을 참조하면, 또 다른 실시예의 스크린필터(420)는 표면(422), 이면(424), 가장자리(426)와 표적세포(4)들을 여과하도록 형성되어 있는 복수의 여과구멍(428)들을 갖는다. 가장자리(426)는 상부도관(16a)과 하부도관(16b) 사이에 개재되어 있고, 관벽(14)에 대하여 직교하는 동일 평면에 배치되어 있다.
스크린필터(420)는 표적세포(4)들의 흐름을 관벽(14)과 만나는 경계부(430)로 유도하도록 형성되어 있는 볼록부(438)를 갖는다. 볼록부(438)는 그 중앙의 높은 곳에서 낮은 곳의 경계부(430)로 표적세포(4)들의 흐름을 유도하는 돔형(Doum shape)으로 형성되어 있다. 통로(12)의 중앙에서 여과구멍(428)들을 통과하지 못하는 표적세포(4)들은 돔형의 볼록부(438)를 타고 흘러내리면서 경계부(430)로 유도된다. 표적세포(4)들은 경계부(430), 즉 볼록부(438)의 가장자리에 모여 여과구멍(428)들의 막힘 현상이 방지된다. 본 실시예에 있어서 볼록부(438)는 돔형으로 형성되어 있는 것을 도시하고 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 볼록부(438)는 표적세포(4)들의 흐름을 통로(12)의 중앙에서 관벽(14)으로 유도할 수 있는 원뿔형, 삼각뿔형, 사각뿔형 등으로 형성될 수 있다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
2: 유체샘플 4: 표적세포
6: 비표적세포 10: 도관
12: 통로 14: 관벽
18: 배출구멍 20, 120, 220, 320, 420: 스크린필터
22, 122, 222, 322, 422: 표면 24, 124, 224, 324, 424: 이면
28, 128, 228, 328, 428: 여과구멍 30, 130, 230, 330, 430: 경계부
132, 232: 오목곡면부 134, 234, 334: 볼록곡면부
236, 336: 트랩 438: 볼록부

Claims (6)

  1. 표적세포를 포함하고 있는 유체샘플을 수송하기 위한 통로와 관벽을 갖는 도관과;
    상기 통로에 설치되어 있고, 상기 표적세포를 여과하는 복수의 여과구멍들을 가지며, 상기 관벽과 만나는 경계부로 상기 표적세포의 흐름을 유도하여 상기 표적세포를 포집하는 스크린필터를 포함하고,
    상기 스크린필터는 상기 유체샘플의 흐름 방향 선단에 상기 표적세포를 수용하도록 형성되어 있는 오목하게 형성되어 있는 트랩을 갖는 세포 채집 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스크린필터는 상기 유체샘플의 흐름 방향을 따라 상기 통로에 경사지게 설치되어 있는 세포 채집 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제2항에 있어서, 상기 스크린필터는 곡선형으로 형성되어 있는 세포 채집 장치.
  5. 제 1 항 또는 제2항에 있어서, 상기 경계부와 근접하는 상기 도관의 외면에 상기 표적세포를 배출할 수 있도록 상기 경계부와 연결되는 배출구멍이 형성되어 있는 세포 채집 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 스크린필터는 상기 표적세포들의 흐름을 그 중앙에서 상기 경계부로 유도하도록 형성되어 있는 볼록부를 갖는 세포 채집 장치.
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