KR101287690B1 - 미세유체 소자를 이용한 세포손상 모델링 장치 및 이를 이용한 세포손상 모델링 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세포 배양을 위한 세포배양채널과, 상기 세포배양채널의 일측에 형성되는 에어채널과, 상기 세포배양채널과 에어채널 사이에 형성되며 탄성 변형 가능한 재질을 갖는 중간막과, 상기 중간막이 변형되어 상기 세포배양채널의 세포를 가압하도록 상기 에어채널에 에어를 공급하는 에어 공급부를 포함하는 세포손상 모델링 장치 및 이를 이용한 세포손상 모델링 방법에 관한 것으로서, 생체 내에서 발생할 수 있는 세포 압박 현상을 생체 외에서 구현할 수 있도록 한다.

Description

미세유체 소자를 이용한 세포손상 모델링 장치 및 이를 이용한 세포손상 모델링 방법 {CELL DAMAGE MODELING DEVICE USING MICROFLUIDIC EMEMENT AND CELL DAMAGE MODELING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 세포 압박으로 인한 세포 손상 현상을 미세유체 소자를 이용하여 생체 외에서 구현할 수 있는 세포손상 모델링 장치 및 이를 이용한 세포손상 모델링 방법에 관한 것이다
신경계 질환은 물리적 상해에 의한 신경의 절단, 뇌졸증으로 인한 산소 및 영양분의 공급 결핍, 지속적이거나 반복적인 신경계의 압박 등 다양한 요인으로 인해 발생하게 된다. 이러한 요인들 중 신경 압박의 예로서 악성 종양의 근처 조직에 의한 압박, 뇌동맥류에 의한 시신경 압박, 척추의 탈장으로 인한 디스크, 자주 사용하는 신경의 반복적인 스트레스로 인한 저림 등이 있다.
이와 같은 신경 압박 현상에 대한 다양한 연구가 진행되고 있으나, 현재까지의 신경 압박에 대한 연구는 환자들을 직접 수술을 진행하면서 결과를 얻어내거나 동물의 질병을 인위적으로 일으켜 연구를 하는 방법에 한정하여 이루어지고 있는 실정이다. 이와 같은 생체실험 또는 동물실험에 의한 연구는 윤리적인 문제를 발생시키고 연구 비용 또한 과다하게 소요되는 문제가 있으므로, 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 생체 외에서 신경 압박 현상을 구현할 수 있도록 하는 것이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 미소유체소자를 이용하여 세포 압박 현상을 생체 외에서 구현할 수 있는 세포손상 모델링 장치 및 이를 이용한 세포손상 모델링 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 세포 배양을 위한 세포배양채널과, 상기 세포배양채널의 일측에 형성되는 에어채널과, 상기 세포배양채널과 에어채널 사이에 형성되며 탄성 변형 가능한 재질을 갖는 중간막과, 상기 중간막이 변형되어 상기 세포배양채널의 세포를 가압하도록 상기 에어채널에 에어를 공급하는 에어 공급부를 포함하는 세포손상 모델링 장치를 개시한다.
상기 세포배양채널과 에어채널은 PDMS 재질의 본체 내에 상호 레이어를 이루도록 형성될 수 있다.
상기 세포배양채널은, 신경 세포체의 배양을 위한 제1메인채널과, 축색 돌기의 배양을 위한 제2메인채널과, 상기 제1메인채널에서 상기 제2메인채널을 향해 연장되며 상기 신경 세포체에서 성장한 축색돌기를 선택적으로 통과시키는 복수의 마이크로 그루브와, 상기 마이크로 그루브와 제2메인채널 사이에 형성되며 상기 마이크로 그루브를 통과한 축색돌기가 상기 제2메인채널로 이동하는 것을 가이드하는 터널을 포함하는 구성을 가질 수 있다.
상기 에어채널은 상기 터널에 위치한 축색돌기의 가압이 가능하도록 상기 터널의 상부에 형성될 수 있다. 그리고 상기 터널은 상기 제2메인채널의 복수의 개소에 각각 연결되며, 상기 에어채널은 상기 터널의 길이 방향에 대해 수직한 방향을 따라 형성 가능하다.
상기 세포손상 모델링 장치는 상기 에어 공급부가 에어를 지속적으로 공급하는 지속 모드 또는 에어를 펄스 형태로 공급하는 펄스 모드로 동작하도록 상기 에어 공급부의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
한편 본 발명은 상기 세포손상 모델링 장치를 이용한 세포손상 모델링 방법에 있어서, 상기 세포배양채널에서 세포를 배양하는 단계와, 상기 에어 공급부의 동작를 통해 상기 에어채널에 에어를 주입하여 상기 중간막이 세포를 가압하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포손상 모델링 방법을 개시한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 에어채널에 에어를 공급하여 세포를 가압할 수 있는 구성을 통해 생체 외 환경에서 실제 세포 압박 현상과 유사한 환경을 구현할 수 있다.
또한 단일 채널로서 고배율의 이미징이 가능하여 세포내 현상에 대한 연구를 보다 정밀하게 진행 할 수 있으며, 세포 현상을 이미징 할 수 있는 영역(ROI: Region Of Interest)을 확장하여 장치 크기 대비 ROI 효율을 극대화 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신경세포 손상 모델링 장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 신경세포 손상 모델링 장치의 평단면도.
도 3은 도 2에 도시된 신경세포 손상 모델링 장치의 측단면도.
도 4는 본 발명과 관련된 신경세포 손상 모델링 장치를 이용한 세포 실험 사진.
도 5 내지 9는 도 1에 도시된 신경세포 손상 모델링 장치를 제조하는 과정을 순차적으로 나타낸 도면들.
이하, 본 발명과 관련된 세포손상 모델링 장치 및 이를 이용한 세포손상 모델링 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포손상 모델링 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 세포손상 모델링 장치의 평단면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 세포손상 모델링 장치의 측단면도이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 세포손상 모델링 장치는 세포배양채널(110), 에어채널(120), 중간막(130), 및 에어 공급부(140)를 포함한다.
세포배양채널(110)은 세포의 배양을 위한 것으로서, 수지 재질의 본체(100) 내에 형성된다. 여기서 본체(100)는 PDMS(polydimethylsiloxane) 재질로 형성될 수 있으며, 그 밖에도 PMMA (Polymethylmethacrylate), PS(Polystyrene) 등의 세포 배양이 가능한 고분자 물질로 형성 가능하다. 여기서, 본체(100)는 글라스 플레이트(160) 상에 설치될 수 있다.
본 실시예에서는 세포배양채널(110)이 신경세포의 배양을 위한 용도로 사용된 것을 예시하고 있다. 본 실시예에 따르면, 세포배양채널(110)은 신경 세포체의 배양을 위한 제1메인채널(111)과, 축색 돌기의 배양을 위한 제2메인채널(112)과, 제1메인채널(111)에서 제2메인채널(112)을 향해 연장되는 복수의 마이크로 그루브(113)와, 마이크로 그루브(113)와 제2메인채널(112) 사이에 형성되는 터널(114)을 포함하는 구성을 갖는다.
복수의 마이크로 그루브(113)는 신경 세포체에서 성장한 축색돌기를 선택적으로 통과시키는 기능을 하며, 이를 위하여 일정 직경(약 200㎛)보다 작은 직경을 갖는다. 마이크로 그루브(113)는 축색돌기가 성장하는 방향을 가이드하며, 마이크로 그루브(113)의 단부는 터널(114)에서 합류하게 된다.
터널(114)은 마이크로 그루브(113)를 통과한 축색돌기가 제2메인채널(112)로 이동하는 것을 가이드하는 기능을 한다. 이와 같은 구조의 터널(114)은 여러 개의 축색돌기 다발이 동시에 성장할 수 있도록 복수로 형성되며, 이들은 제2메인채널(112)의 복수의 개소에 각각 연결된다.
제1메인채널(111)의 양단에는 배지 주입 및 저장을 위한 저장소(116,117)가 형성되며, 제2메인채널(112)의 양단에도 배지 주입 및 저장을 위한 저장소(118,119)가 형성된다. 이들은 배지의 주입이 가능하도록 본체(100)의 표면까지 연장되어 본체(100)의 외부와 연통된 구조를 갖는다.
에어채널(120)은 본체(100) 내부에 에어(또는 가스, 기체 등)가 흐를 수 있는 공간을 제공하며, 세포배양채널(110)의 일측에 형성된다. 에어채널(120)은 본체(100)의 내부에 형성되며, 그 양단에는 에어주입홀(121)과 에어배출홀(122)이 형성된다. 에어주입홀(121)과 에어배출홀(122)은 본체(100)의 표면까지 연장되어 에어채널(120)이 외부와 연통되도록 한다.
세포배양채널(110)과 에어채널(120)은 본체(100) 내에 상호 레이어를 이루도록 형성될 수 있으며, 본 실시예는 에어채널(120)이 세포배양채널(110)의 상측에 형성된 것을 예시하고 있다.
중간막(130)은 세포배양채널(110)과 에어채널(120) 사이에 형성되며, 탄성 변형이 가능한 재질을 갖는다. 중간막(130)은 PDMS 재질로서 본체(100)가 PDMS 재질을 갖는 경우 본체(100)와 일체로 형성 가능하다.
에어 공급부(140)는 중간막(130)을 변형시키도록 에어채널(120)에 에어(또는 가스, 기체 등)를 공급하는 기능을 하며, 중간막(130)은 세포배양채널(110)이 위치한 방향으로 탄성 변형되어 세포배양채널(110)의 신경세포를 가압한다. 에어 공급부(140)로서 에어펌프가 사용될 수 있으며, 이와 연결된 노즐이 에어주입홀(121)에 설치된다.
본 실시예에 따르면, 에어채널(120)은 터널(114)에 위치한 축색돌기를 가압할 수 있도록 터널(114)의 상부에 형성된다. 이러한 구조를 통해 신경세포의 축색돌기 성장시 축색돌기를 압박하는 환경을 모사할 수 있다. 에어채널(120)은 복수의 터널(114)의 길이 방향에 대해 수직한 방향을 따라 형성되며, 이로써 하나의 에어채널(120)만을 사용하여 복수의 터널(114) 내의 축색돌기를 동시 가압할 수 있게 된다.
에어 공급부(140)에는 이의 동작을 제어하는 제어부(150)가 연결될 수 있으며, 제어부(150)는 에어 공급부(140)가 에어채널(120)에 공급하는 공기 유량을 조절함으로써 중간막(130)의 탄성 변형량을 조절할 수 있다.
에어 공급부(140)는 에어를 지속적으로 공급하는 모드(지속 모드) 또는 에어를 펄스 형태로 공급하는 모드(펄스 모드)로 동작 가능하도록 구성 가능하며, 제어부(150)는 에어 공급부(140)가 지속 모드 또는 펄스 모드로 선택적으로 동작할 수 있게 에어 공급부(140)의 동작을 제어하도록 구성 가능하다. 이로써 신경세포가 지속적으로 압박되는 상태와 특정 주기를 가지고 간헐적으로 압박되는 상태를 모두 구현할 수 있다.
이하 본 발명과 관련된 세포손상 모델링 장치를 이용한 세포손상 모델링 방법에 대해 설명한다.
먼저 세포배양채널(110)에서 신경세포를 배양하는 과정이 선행되는데, 제1메인 터널(114)에서 신경 세포체를 배양시키면 여기서 축색돌기가 자라나게 된다. 마이크로 그루브(113)보다 크기가 큰 세포들은 마이크로 그루브(113)를 통과할 수 없으며, 축색돌기만이 마이크로 그루브(113)로 유입되어 이를 통과하게 된다. 복수의 마이크로 그루브(113)를 통과한 축색돌기 다발은 터널(114)에서 합류하게 되며, 터널(114) 내 축색돌기 다발은 자유롭게 성장하여 제2메인채널(112)로 이동하여 배양되게 된다.
세포 배양 중인 상태에서 에어 공급부(140)를 동작시켜 에어채널(120)에 에어를 주입함으로써 중간막(130)이 세포배양채널(110)의 세포를 가압하도록 한다. 이 때 에어 공급 유량의 조절을 통해 세포 가압량을 조절할 수 있으며, 에어 공급부(140)를 지속 모드 또는 펄스 모드로 동작시킴으로써 다양한 세포 압박 환경을 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명과 관련된 세포손상 모델링 장치를 이용한 신경 세포 압박 실험사진이다.
본 발명의 세포손상 모델링 장치를 통해 실험한 결과 외부 압력에 노출된 신경세포와 그렇지 않은 세포의 차이를 볼 수 있었다. 7시간 동안 압력이 가해졌던 축색돌기(도 4의 노란색 화살표 참조)는 튜뷸린(tubulin)의 발현이 부진한 것을 볼 수 있었고, 외부 압력이 가해지지 않았던 축색돌기(도 4의 흰색 화살표 참조)는 튜뷸린(tubulin)의 발현이 뚜렷한 것을 알 수 있었다.
이로써 본 발명의 세포손상 모델링 장치가 실제 세포 압박 환경과 유사한 환경을 구현한 것을 확인할 수 있다. 이상에서는 본 발명의 세포손상 모델링 장치를 이용하여 신경세포의 축색돌기를 압박하는 것을 기초로 설명하였으나 본 발명의 세포손상 모델링 장치는 신경세포에 한정되지 않으며 다양한 세포에 응용 가능하다. 예를들어 특정 단백질의 발현이나 마이토콘드리아의 움직임, 또는 체새포 내 다른 소기관들의 반응 등을 실시간으로 확인할 수 있다.
도 5 내지 9는 도 1에 도시된 세포손상 모델링 장치를 제조하는 과정을 순차적으로 나타낸 도면들이다. 이하 도 5 내지 9를 참조하여 세포손상 모델링 장치의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저 도 5와 같이 세포배양채널(110)에 대응되는 형태의 몰드(102)를 기판(103) 위에 부착하고, 그 위에 제1레이어(101)을 형성한다. 제1레이어(101)는 PDMS를 기판 위에 소핀 코팅하여 형성할 수 있다.
다음으로 도 6과 같이 에어채널(120)에 대응되는 형태의 몰드(105)를 다이(107) 내에 설치한 후 PDMS를 붓고 경화시켜 제2레이어(104)를 형성한다. 그리고 몰드(105) 윗 부분을 제2레이어(104)로부터 뜯어내어 에어채널 몰드(106)를 형성한다. 그 후 에어채널 몰드(106)에 에어의 주입 및 배출을 위한 홀을 형성한다.
다음으로 도 7과 같이 제1레이어(101)가 형성된 기판(103)을 다이(108) 내에 위치시키고, 제1레이어(101) 위에 에어채널 몰드(106)를 부착한다. 그리고 도 8과 같이 다이(108) 내의 나머지 부분에 PDMS를 붓고 경화시킨다.
마지막으로 도 9와 같이 몰드(102) 위 본체(100)에 해당하는 부분을 뜯어내고 에어주입홀(121), 에어배출홀(122), 저장소(116 내지 119)에 해당하는 부분에 홀을 뚫어 세포손상 모델링 장치를 완성시키게 된다.
이상에서는 본 발명에 따른 세포손상 모델링 장치 및 이를 이용한 세포손상 모델링 방법을 첨부한 도면들을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (9)

  1. 신경세포의 배양을 위한 세포배양채널;
    상기 세포배양채널의 일측에 형성되는 에어채널;
    상기 세포배양채널과 에어채널 사이에 형성되며, 탄성 변형 가능한 재질을 갖는 중간막; 및
    상기 중간막이 변형되어 상기 세포배양채널의 세포를 가압하도록 상기 에어채널에 에어를 공급하는 에어 공급부를 포함하는 세포손상 모델링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세포배양채널과 에어채널은 PDMS 재질의 본체 내에 상호 레이어를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 세포손상 모델링 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 세포배양채널은,
    신경 세포체의 배양을 위한 제1메인채널;
    축색 돌기의 배양을 위한 제2메인채널;
    상기 제1메인채널에서 상기 제2메인채널을 향해 연장되며, 상기 신경 세포체에서 성장한 축색돌기를 선택적으로 통과시키는 복수의 마이크로 그루브; 및
    상기 마이크로 그루브와 제2메인채널 사이에 형성되며, 상기 마이크로 그루브를 통과한 축색돌기가 상기 제2메인채널로 이동하는 것을 가이드하는 터널을 포함하는 것을 특징으로 하는 세포손상 모델링 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에어채널은 상기 터널에 위치한 축색돌기의 가압이 가능하도록 상기 터널의 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 세포손상 모델링 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 터널은 상기 제2메인채널의 복수의 개소에 각각 연결되며,
    상기 에어채널은 상기 터널의 길이 방향에 대해 수직한 방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 세포손상 모델링 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에어 공급부가 에어를 지속적으로 공급하는 지속 모드 또는 에어를 펄스 형태로 공급하는 펄스 모드로 동작하도록 상기 에어 공급부의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포손상 모델링 장치.
  7. 제1항을 따르는 세포손상 모델링 장치를 이용한 세포손상 모델링 방법에 있어서,
    상기 세포배양채널에서 세포를 배양하는 단계; 및
    상기 에어 공급부의 동작을 통해 상기 에어채널에 에어를 주입하여 상기 중간막이 세포를 가압하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포손상 모델링 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 중간막을 통한 세포 가압량은 상기 에어채널에 주입되는 에어의 유량 조절을 통해 조절되는 것을 특징으로 하는 세포손상 모델링 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 에어채널로의 에어 주입은 에어를 지속적으로 공급하는 지속 모드 또는 에어를 펄스 형태로 공급하는 펄스 모드로 주입되는 것을 특징으로 하는 세포손상 모델링 방법.
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