KR101429585B1 - The gradient sensing of lung epithelial cells in a microfluidic device - Google Patents

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Abstract

본 발명의 미세유체칩을 이용한 폐상피세포의 배양방법은, 형질전환 성장인자 함유 유체와 배양액을 공급하는 두 개의 주입구 및 두 개의 배출구를 가진 미세유체 채널과 진공 네트워크 채널로 구성되어 인체의 폐 기도 구조와 유사하게 제작된 직선형 농도구배 미세유체칩을 이용한 것으로, 상기 미세유체칩을 이용하여 폐상피세포를 배양한 후, 형질전환 성장인자에 의한 상피 중간엽세포 이행 유도를 농도구배에 따라 센싱하는 시스템은 폐상피세포의 기능을 이해하고 폐와 관련된 질환을 연구하는데 활용될 수 있다.The method for culturing lung epithelial cells using the microfluidic chip of the present invention comprises a microfluidic channel and a vacuum network channel having two injection ports and two outlets for supplying a fluid containing a transformation growth factor and a culture fluid, The microfluidic chip is used to culture pulmonary epithelial cells, and the induction of epithelial mesenchymal cell migration by the transfection factor is sensed according to the concentration gradient. The system can be used to understand the function of lung epithelial cells and to study lung related diseases.

Description

직선형 농도구배 미세유체칩을 이용한 폐상피세포의 배양방법 {The gradient sensing of lung epithelial cells in a microfluidic device}Technical Field [0001] The present invention relates to a method for culturing lung epithelial cells using a linear gradient gradient microfluidic chip,

본 발명은 미세유체칩을 이용한 폐상피세포의 배양방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 형질전환 성장인자 함유 유체와 배양액을 공급하는 두 개의 주입구 및 두 개의 배출구를 가진 미세유체 채널과 진공 네트워크 채널로 구성되어 인체의 폐 기도 구조와 유사하게 제작된 직선형 농도구배 미세유체칩을 이용한 폐상피세포의 배양방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for culturing lung epithelial cells using a microfluidic chip, and more particularly, to a method for culturing a lung epithelial cell using a microfluidic channel, The present invention relates to a method for culturing lung epithelial cells using a linear gradient gradient microfluidic chip made in a similar manner to that of the human lung.

만성폐쇄성폐질환(COPD)은 유해한 물질을 흡입하여 폐에 염증 반응이 일어나면서 호흡이 곤란해지는 질병으로 국내 유병률은 10.5 % 로 국내 10대 사망원인에 해당하는 것으로 조사되었다 [2009년도 국민건강영양조사]. 폐질환은 흡연 및 대기 오염을 일으키는 물질이나 작업환경이 좋지않은 경우 발생하며, 연령대가 높을수록 유병률이 높다.COPD is a disease in which respiration becomes difficult due to the inflammation reaction in the lungs due to inhaling of harmful substances. Domestic prevalence is 10.5%, which is the leading cause of death in Korea [2009 National Health and Nutrition Examination Survey ]. Pulmonary disease occurs when the substance causing smoking or air pollution or working environment is poor, and the older the age, the higher the prevalence.

낭포성 섬유증, 폐기종 및 특발성 폐 섬유증을 비롯한 몇몇 폐 질환에 있어서, 폐 이식이 유일한 최적치료이나, 폐 이식 후 환자 생존률은 5년에 50%, 10년에 24%로 낮은 편이다 [Mondrinos et al., 2008, TissueEng 14:361-8]. 또한 뇌사자로부터 폐를 얻으려해도 복잡한 뇌사판정 절차 때문에 시간이 지체되면, 뇌사자에게 2차 감염과 폐부종 등의 폐손상이 생기므로 장기를 기증받아도 활용하지 못하는 경우가 많아 다른 장기에 비하여 폐 이식이 원활히 이루어지지 않고 있다. 따라서 이러한 이식에 사용될 수 있도록 엔지니어링 된 폐 조직의 개발이 크게 요구된다. In some lung diseases, including cystic fibrosis, emphysema and idiopathic pulmonary fibrosis, lung transplantation is the only optimal treatment, but the survival rate of patients after lung transplantation is as low as 50% at 5 years and 24% at 10 years [Mondrinos et al ., 2008, TissueEng 14: 361-8]. In addition, even if we try to obtain lungs from a brain-dead person, if the time is delayed due to complicated brain-deadening procedure, lung injury such as secondary infection and pulmonary edema occurs in a brain-dead person, . Thus, the development of engineered lung tissue for use in such transplantation is highly desired.

줄기세포는 개체를 구성하는 세포나 조직의 근간이 되며, 또한 다양한 화학적, 기계적, 물리적 요소로 인해서 증식, 분화, 이동, 사멸할 수 있는 세포로, 자가 재생산을 할 수 있고, 환경에 따라 특정한 기능을 지닌 세포로 분화할 수 있는 잠재력을 지닌 세포이다.Stem cells are the basis for cells or tissues that make up an individual and can also multiply, differentiate, move, and die due to various chemical, mechanical, and physical factors. They can perform self-reproduction, Which is a cell with the potential to differentiate into cells with.

줄기세포의 자가 재생산 능력과 다 분화성은 사람의 발생과정의 연구를 위한 좋은 모델을 제공해줄 뿐만 아니라, 신약 개발에도 중요하게 활용될 수 있다. 줄기세포는 크게 사람의 배아를 이용해 만들 수 있는 배아 줄기세포(복수기능 줄기세포)와 혈구세포를 만드는 골수세포와 같은 성체 줄기세포(다기능 줄기세포)로 나눌 수 있다.The ability of the stem cells to self-replicate and to multiply differentiation not only provides a good model for the study of human development, but can also be used to develop new drugs. Stem cells can be divided into embryonic stem cells (pluripotent stem cells) that can be made using human embryos and adult stem cells (multifunctional stem cells) such as bone marrow cells that make blood cells.

인간의 배아를 이용한 배아 줄기세포는 인체를 이루는 모든 세포와 조직으로 분화할 수 있기 때문에 전능세포 또는 만능세포라 불리우며, 질병치료제 및 세포재생 등 다양한 연구에 이용될 수 있지만, 배아 줄기세포 확보에 따른 윤리적 문제가 남아 있다. 반면에 성체 줄기세포는 재대혈이나 성인의 골수와 혈액 등에서 추출해낸 것으로 뼈와 간, 혈액등 구체적 장기의 세포로 분화되기 직전의 원시세포이며, 조혈모세포(Hematopoietic Stem Cell)와 중간엽줄기세포(Mesenchymal Stem Cell), 신경줄기세포(Neural stem cell) 등이 있다. 성체 줄기세포는 일반적으로 신체조직에 어떤 손상이 발생하면 다른 장기에 있던 줄기세포가 손상된 조직으로 변하는 분화의 유연성을 가지고 있어, 주입된 몸 안에서 자가 재생산을 할 수 있으며, 이미 성장한 신체조직에서 추출하기 때문에 윤리논쟁을 피할 수 있는 장점이 있는 반면, 증식이 어려워 얻을 수 있는 줄기세포의 수가 적다는 단점이 있다.Since human embryonic stem cells can differentiate into all the cells and tissues that make up the human body, they are called omnipotent cells or pluripotent cells. They can be used for various treatments such as disease treatment agents and cell regeneration. However, The problem remains. On the other hand, adult stem cells are extracted from bone marrow and blood of adults, and are primitive cells just before differentiation into specific organs such as bone, liver, and blood. Hematopoietic stem cells and mesenchymal stem cells Mesenchymal Stem Cell, and Neural stem cell. Adult stem cells generally have the flexibility to differentiate into a damaged tissue in which other stem cells in the other organ are damaged when any damage is made to the body tissue, allowing self-reproduction in the injected body and extraction from the already-grown body tissue Therefore, it has the advantage of avoiding ethical controversy, but it has a disadvantage that the number of stem cells that can be obtained due to difficulty in proliferation is small.

하지만, 줄기세포의 뛰어난 세포치료 효능에도 불구하고 기존의 세포배양 방법으로는 폐의 내피 및 상피 세포는 다른 세포 유형보다 배양하기가 어려우며, 기계적 압력을 견딜 수 있어야 하고, 상이하면서도 친밀하게 병치된 2 개의 구획들 사이에서 가스교환수단을 제공하는 복합 매트릭스를 필요로 하는 등, 폐 조직을 엔지니어링 하는데 많은 제약들이 따른다 [Malda et al., 2004, Biomaterials 25:5773-80].  However, despite the excellent cell therapy efficacy of stem cells, the endothelial and epithelial cells of the lung are difficult to cultivate with conventional cell culture methods, have to withstand mechanical pressure, There are many limitations in engineering lung tissues, such as requiring a complex matrix to provide gas exchange means between the compartments [Malda et al., 2004, Biomaterials 25: 5773-80].

이러한 문제점들을 극복하기 위해서 반도체 제조 공정인 미세가공 기술을 이용하여 인체 내 조건과 유사한 새로운 형태의 세포 및 조직 배양 연구를 할 수 있다. 최근에 반도체 제조기술인 포토리소그래피(photolithography)와 소프트 리소그래피(soft lithography) 기술을 이용하여 마이크로 미세유체칩을 만들어 줄기세포의 증식과 분화연구가 시작되고 있다. 이렇게 만든 마이크로 미세유체칩은 생체에 적합하며, 적은 양의 미디어와 세포를 사용하여 시간과 비용 면에서 효율적이며 또한 안정하면서도 다양한 형태의 농도구배를 생성할 수 있고, 실시간으로 세포를 관찰할 수 있는 등의 많은 장점을 가지고 있으나, 기존의 미세유체칩 배양방법은 이미 만들어진 미세유체칩 안에 세포를 배양하기 때문에, 뇌세포, 줄기세포 등과 같은 민감한 세포들의 배양에는 한계가 있다.In order to overcome these problems, new types of cell and tissue culture studies similar to those in the human body can be performed using microfabrication technology, which is a semiconductor manufacturing process. In recent years, studies on the proliferation and differentiation of stem cells have been started by making microfluidic chips using photolithography and soft lithography, which are semiconductor manufacturing technologies. The microfluidic chip is suitable for the living body, and it can generate various concentration gradients in a stable and time-efficient manner using a small amount of media and cells, and can observe cells in real time However, existing microfluidic chip culture methods have limitations on the cultivation of sensitive cells such as brain cells and stem cells because the cells are cultured in a microfluidic chip already made.

본 발명은 세포 배양, 특히 폐상피세포의 배양 및 분화에 적합한 직선형 농도구배 미세유체칩을 이용한 폐상피세포 배양방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a method for culturing lung epithelial cells using a linear gradient-gradient microfluidic chip suitable for cell culture, particularly for culturing and differentiating lung epithelial cells.

또한 본 발명은 상기 미세유체칩을 이용하여 세포배양을 한 후, 형질전환 성장인자에 의한 상피 중간엽세포 이행(Epithelial-mesenchymal transition; EMT) 유도를 농도구배에 따라 센싱하는 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.The present invention also provides a system for sensing the induction of epithelial-mesenchymal transition (EMT) by a transducing growth factor according to a concentration gradient after cell culture using the microfluidic chip, The purpose.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, In order to solve the above-described problems,

배양액을 포함하는 유체가 주입되는 제 1 주입구; 형질전환 성장인자를 포함하는 유체가 주입되는 제 2 주입구; 상기 제 1 주입구 및 상기 제 2 주입구에 각각 연결되어 유체를 저장할 수 있는 두 개의 저수공간; 상기 형질전환 성장인자를 포함하는 유체 및 상기 배양액을 포함하는 유체가 배출되는 배출구; 일단이 상기 제 1 주입구 및 상기 제 2 주입구와 연결되고, 타단이 유체가 배출되는 배출구와 연결되며, 상기 형질전환 성장인자를 포함하는 유체 및 상기 배양액을 포함하는 유체가 관통하는 미세유체 채널; 및 진공네트워크 채널;을 포함하여 이루어진 미세유체칩을 이용한 폐상피세포의 배양방법에 있어서, A first injection port into which a fluid containing a culture liquid is injected; A second injection port into which a fluid containing a transformation growth factor is injected; Two water storage spaces connected to the first inlet and the second inlet, respectively, for storing the fluid; An outlet through which a fluid containing the transforming growth factor and a fluid containing the culture liquid are discharged; A microfluidic channel having one end connected to the first injection port and the second injection port and the other end connected to a discharge port through which the fluid is discharged, the fluid including the transforming growth factor and the fluid including the culture fluid; A method for culturing lung epithelial cells using a microfluidic chip, the method comprising:

상기 폐상피세포의 배양은, Culturing of the lung epithelial cells,

1) 세포가 배양된 플레이트에 미세유체칩을 부착하고 압착시키는 단계;1) attaching and pressing a microfluidic chip to a plate on which cells have been cultured;

2) 상기 1) 단계에서 압착된 플레이트-미세유체칩을 배양기에 넣고, 상기 미세유체칩의 미세유체 채널에 형질전환성장인자를 포함하는 유체 및 배양액을 포함하는 유체를 흘려주면서 세포를 배양하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체칩을 이용한 폐상피세포의 배양방법을 제공한다. 2) culturing cells in a microfluidic channel of the microfluidic chip by flowing a fluid containing the transforming growth factor and a fluid containing the culture fluid into the microfluidic channel of the microfluidic chip, The present invention also provides a method for culturing lung epithelial cells using the microfluidic chip.

또한, 본 발명은 상기 세포배양방법으로 세포를 배양한 후, 형질전환 성장인자에 의한 상피 중간엽세포 이행(Epithelial-mesenchymal transition; EMT) 유도를 농도구배에 따라 센싱하는 시스템을 제공한다.In addition, the present invention provides a system for detecting the induction of epithelial-mesenchymal transition (EMT) by a transducing growth factor according to a concentration gradient after the cells are cultured by the cell culture method.

본 발명의 미세유체칩을 이용한 폐상피세포의 배양방법은, 형질전환 성장인자 함유 유체와 배양액을 공급하는 두 개의 주입구 및 두 개의 배출구를 가진 미세유체 채널과 진공 네트워크 채널로 구성되어 인체의 폐 기도 구조와 유사하게 제작된 직선형 농도구배 미세유체칩을 이용한 것으로, 폐상피세포의 기능을 이해하고 폐와 관련된 질환을 연구하는데 활용될 수 있다.The method for culturing lung epithelial cells using the microfluidic chip of the present invention comprises a microfluidic channel and a vacuum network channel having two injection ports and two outlets for supplying a fluid containing a transformation growth factor and a culture fluid, , And it can be used to understand the function of lung epithelial cells and to study lung related diseases.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체칩 플렛폼이다. 도 1(a)는 미세유체 채널과 진공네트워크 채널로 구성되어있는 직선형 농도구배 미세유체칩의 개략도이며, 도 1(b)는 도 1(a)의 미세유체 채널에 점선으로 표시된 영역에 대한 농도구배 분석 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2형폐포상피세포 (TypeII alveolar epithelial cells)에서 유래한 A549 세포의 증식을 보여주는 이미지이다. 도 2(a)는 형질전환 성장인자 (Transforming growth factor-beta; TGF-β)를 처리한 것과 안한 것의 6-well 플레이트 상에서 A549 세포 이미지이며, 도 2(b)는 직선형 농도구배 미세유체칩상에서 A549 세포의 배양 이미지이다 (스케일 바는 200㎛).
도 3은 A549 세포의 증식 정량분석이다. 도 3(a)는 6-well 플레이트 상에서 A549 세포의 증식을 나타낸 그래프이며, 도 3(b)는 미세유체칩 상에서 A549 세포의 증식을 나타낸 그래프이다.
도 4는 A549 세포에서 α-SMA 단백질 발현 이미지이다. 도 4(a)는 6-well 플레이트 상에서의 α-SMA 단백질 발현이미지이며, 도 4(b)는 직선형 미세유체칩 상에서의 α-SMA 단백질 발현이미지이다. α-SMA 단백질은 빨간색으로 나타냄(스케일바는 200㎛).
도 5는 A549 세포의 편극 (Polarization) 정량분석을 나타낸 그래프이다. 도 5(a)는 6-well 플레이트 상에서 세포의 편극 비율을 나타낸 그래프이며, 도 5(b)는 직선형 농도구배 미세유체칩상에서 세포의 편극비율을 나타낸 그래프이다. 여기서 비율이란 늘어난 세포의 길이를 말한다 (*p < 0.05, **p < 0.01). 도 6(c)는 36시간동안 TGF-β를처리하였을때 웨스턴 블롯 분석 (western blot analysis)을 나타낸 이미지이며, 이카드헤린(E-cadherin)과 비멘틴(vimentin) 항체를 사용하여 규명하였다.
1 is a microfluidic chip platform according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a schematic view of a linear gradient gradient microfluidic chip composed of a microfluidic channel and a vacuum network channel. FIG. 1 (b) FIG.
2 is an image showing the proliferation of A549 cells derived from type II alveolar epithelial cells according to an embodiment of the present invention. Figure 2 (a) is A549 cell image on a 6-well plate treated with and without transforming growth factor-beta (TGF-beta), Figure 2 (b) It is a cultured image of A549 cells (scale bar is 200 mu m).
Figure 3 is a quantitative analysis of the proliferation of A549 cells. FIG. 3 (a) is a graph showing the proliferation of A549 cells on a 6-well plate, and FIG. 3 (b) is a graph showing proliferation of A549 cells on a microfluidic chip.
4 is an image of alpha-SMA protein expression in A549 cells. Fig. 4 (a) is an α-SMA protein expression image on a 6-well plate, and Fig. 4 (b) is an α-SMA protein expression image on a linear microfluidic chip. The α-SMA protein is shown in red (scale bar is 200 μm).
FIG. 5 is a graph showing quantitative analysis of Polarization of A549 cells. FIG. FIG. 5 (a) is a graph showing the polarization ratio of cells on a 6-well plate, and FIG. 5 (b) is a graph showing the polarization ratio of cells on a linear concentration gradient microfluidic chip. Here, the ratio is the length of the increased cell (* p <0.05, ** p <0.01). FIG. 6 (c) is an image showing western blot analysis when TGF-β was treated for 36 hours, and was identified using E-cadherin and vimentin antibodies.

본 발명은, 배양액을 포함하는 유체가 주입되는 제 1 주입구; 형질전환 성장인자를 포함하는 유체가 주입되는 제 2 주입구; 상기 제 1 주입구 및 상기 제 2 주입구에 각각 연결되어 유체를 저장할 수 있는 두 개의 저수공간; 상기 형질전환 성장인자를 포함하는 유체 및 상기 배양액을 포함하는 유체가 배출되는 배출구; 일단이 상기 제 1 주입구 및 상기 제 2 주입구와 연결되고, 타단이 유체가 배출되는 배출구와 연결되며, 상기 형질전환 성장인자를 포함하는 유체 및 상기 배양액을 포함하는 유체가 관통하는 미세유체 채널; 및 진공네트워크 채널;을 포함하여 이루어진 미세유체칩을 이용한 폐상피세포의 배양방법에 있어서, According to the present invention, there is provided a method for producing a culture medium, comprising: a first injection port into which a fluid containing a culture liquid is injected; A second injection port into which a fluid containing a transformation growth factor is injected; Two water storage spaces connected to the first inlet and the second inlet, respectively, for storing the fluid; An outlet through which a fluid containing the transforming growth factor and a fluid containing the culture liquid are discharged; A microfluidic channel having one end connected to the first injection port and the second injection port and the other end connected to a discharge port through which the fluid is discharged, the fluid including the transforming growth factor and the fluid including the culture fluid; A method for culturing lung epithelial cells using a microfluidic chip, the method comprising:

상기 폐상피세포의 배양은, Culturing of the lung epithelial cells,

1) 세포가 배양된 플레이트에 미세유체칩을 부착하고 압착시키는 단계;1) attaching and pressing a microfluidic chip to a plate on which cells have been cultured;

2) 상기 1) 단계에서 압착된 플레이트-미세유체칩을 배양기에 넣고, 상기 미세유체칩의 미세유체 채널에 형질전환성장인자를 포함하는 유체 및 배양액을 포함하는 유체를 흘려주면서 세포를 배양하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체칩을 이용한 폐상피세포의 배양방법을 제공한다. 2) culturing cells in a microfluidic channel of the microfluidic chip by flowing a fluid containing the transforming growth factor and a fluid containing the culture fluid into the microfluidic channel of the microfluidic chip, The present invention also provides a method for culturing lung epithelial cells using the microfluidic chip.

본 발명의 미세유체칩을 이용한 폐상피세포의 배양방법에서 상기 1) 단계의 압착은 상기 미세유체칩의 진공네트워크 채널의 감압으로 이루어질 수 있고, 상기 감압은 상기 진공네트워크 채널에 연결된 실린지 펌프를 통해 감압 될 수 있으며, 플레이트와 미세유체칩을 압착시킴으로 채널 안의 세포 밀도 조절이 가능하고, 배양 후에 플레이트와 미세유체칩의 분리가 용이하므로 세포의 염색 및 단백질 분석 등을 쉽게 할 수 있으며, 상기 2) 단계의 배양은 24 내지 48 시간 동안 이루어질 수 있고, 바람직하게는 36 시간 동안 배양되는 것이며, 36 시간 이상 배양되어야 형질전환성장인자의 자극을 통해 상피중간엽세포이행 (pithelial-mesenchymal transition; EMT)이 효과적으로 유도될 수 있고, 상기 형질전환성장인자는 형질전환성장인자-베타 (TGF-β)인 것이 바람직하다.In the method for culturing lung epithelial cells using the microfluidic chip of the present invention, the pressing in the step 1) may be performed by depressurizing the vacuum network channel of the microfluidic chip, and the depressurization may be performed using a syringe pump connected to the vacuum network channel And it is possible to control the cell density in the channel by pressing the plate and the microfluidic chip. Since the plate and the microfluidic chip can be easily separated after culturing, it is possible to easily perform dyeing and protein analysis of the cells, ) Stage may be performed for 24 to 48 hours, preferably for 36 hours, and cultured for more than 36 hours to induce pithelial-mesenchymal transition (EMT) through stimulation of the transforming growth factor. Can be effectively induced, and the transforming growth factor is preferably a transforming growth factor-beta (TGF-beta) .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 저수공간에 저장되는 유체의 양은 350 내지 550 ㎕, 바람직하게는 400 내지 500 ㎕일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the amount of fluid stored in the water storage space may be 350 to 550 μl, preferably 400 to 500 μl.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 미세유체 채널은 폭이 0.7 내지 1.3 mm, 길이는 4 내지 6 mm 일 수 있으며, 폭 대 길이의 비율이 1:4 내지 1:6 인 것이 인간의 기도 비율과 유사함으로 바람직한데, 폐상피세포의 크기는 50 ~ 80 ㎛로, 일반 세포보다 크기가 큰 세포이며, 1.3 mm를 초과하면 세포와 미디엄을 더 많이 필요로 하여 경제적이지 못하며, 현미경의 100배 렌즈로 한눈에 관찰하기 어려운 크기이므로 여러 번 나누어서 관찰해야하는 불편함이 있고, 채널의 폭이 0.7 mm 보다 작으면 구간별로 농도구배 형성을 관찰하기 힘들기 때문이다.According to another embodiment of the present invention, the microfluidic channel may have a width of 0.7 to 1.3 mm and a length of 4 to 6 mm. The ratio of the width to the length is 1: 4 to 1: 6, The size of the lung epithelium is 50 ~ 80 ㎛, which is larger than that of normal cells. If it exceeds 1.3 mm, it requires more cells and medium, which is not economical. It is inconvenient to observe several times because it is difficult to observe at a glance because it is difficult to observe at a glance. If the channel width is less than 0.7 mm, it is difficult to observe the gradient formation by intervals.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 미세 유체 채널은 형질 전환 성장인자를 포함하는 유체 및 배양액을 포함하는 유체가 미세유체 채널을 관통하면서 확산에 의해 직선형 농도구배를 형성할 수 있으며, 상기 배출구는 두 개 이상일 수 있으며 2 내지 3개인 것이 바람직한데, 배출구가 두 개 이상일 경우 한 개의 배출구에서 배양액을 빨아들일 때보다 균일한 농도구배를 형성할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the microfluidic channel may form a linear concentration gradient by diffusion while passing through the microfluidic channel, the fluid including the transforming growth factor and the culture fluid, The outlet may be more than two and preferably two to three, and if more than one outlet is provided, a uniform concentration gradient may be formed than when one is sucking the culture from one outlet.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 미세유체 채널 내부의 농도구배 형성 및 배양되는 세포의 전단응력 조절을 위하여 배출구에 연결된 실린지 펌프를 통해 미세유체 채널에 형질전환 성장인자를 포함하는 유체 및 배양액을 포함하는 유체의 유속을 조절할 수 있다. 상기 유속은 0.13 내지 0.17 ㎕/분인 것이 바람직한데, 유속이 0.13 ㎕/분 보다 느린 속도에서는 개발한 미세유체칩의 농도구배 형성이 이루어지기 힘들며, 0.17 ㎕/분의 보다 빠른 속도에서는 빠른 속도의 유속에서 발생한 전단응력 (shear stress)으로 세포가 건강하게 배양되기 힘들기 때문이다.According to another embodiment of the present invention, in order to form a concentration gradient inside the microfluidic channel and to control the shear stress of the cultured cells, a fluid containing a transforming growth factor and a culture medium The flow rate of the fluid can be adjusted. It is preferable that the flow rate is 0.13 to 0.17 μl / min. When the flow rate is slower than 0.13 μl / min, it is difficult to form the gradient of the developed microfluidic chip. At a higher rate of 0.17 μl / min, The shear stresses generated in the cells are difficult to cultivate healthy cells.

또한 본 발명은, 상기 세포배양방법으로 세포를 배양한 후, 형질전환 성장인자에 의한 상피 중간엽세포 이행 유도를 농도구배에 따라 센싱하는 시스템을 제공한다. In addition, the present invention provides a system for culturing cells using the cell culture method, followed by sensing the induction of epithelial mesenchymal cell transduction by a transformation growth factor according to a concentration gradient.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 참조하여 더욱 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the following examples are provided only to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

제조예Manufacturing example : : 미세유체칩의Microfluidic chip 제조 Produce

도 1(a)는 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 채널과 진공네트워크 채널로 구성되어 있는 직성형 농도구배 미세유체칩의 개략도이다. SU-8 50 포토레지스트를 사용하여 스핀코터에 실리콘 웨이퍼를 올려놓고 회전을 주어 100 ㎛ 두께로 마이크로 채널을 만든 후, 포트리소그래피 과정을 거치고, 마이크로패턴의 실리콘 웨이퍼에 폴리디메틸릴록산 (Poly dimethylsiloxane; PDMS)으로 몰딩을 하였다. PDMS 재질인 미세유체칩의 주입구, 배출구 및 진공네트워크 채널에 펀치로 구멍을 뚫은 후 산소플라즈마 기기를 사용하여 자외선을 처리하여 소수성인 표면을 친수성으로 개질하여 두 개의 주입구, 두 개의 배출구, 폭 1 mm, 길이 5 mm인 미세유체 채널 및 진공네트워크 채널로 구성된 미세유체칩을 만들었으며, 미세유체칩의 두 개의 주입구에 각각 500 ㎕의 유체가 저장될 수 있는 저수공간을 추가로 구성하였다.
FIG. 1 (a) is a schematic view of a straight-formed concentration gradient microfluidic chip composed of a microfluidic channel and a vacuum network channel according to an embodiment of the present invention. A silicon wafer was placed on a spin coater using an SU-850 photoresist and rotated to form a microchannel with a thickness of 100 쨉 m. Then, the wafer was subjected to a photolithography process and polydimethylaroxane (SiC) was deposited on a micropatterned silicon wafer. PDMS). After punching holes in the inlet, outlet and vacuum network channels of the PDMS microfluidic chip, the hydrophobic surface is hydrophilically modified by treating with ultraviolet rays using an oxygen plasma device to form two inlets, two outlets, a width of 1 mm , A microfluidic channel with a length of 5 mm, and a vacuum network channel. A microfluidic chip consisting of a microfluidic channel and a vacuum network channel having a length of 5 mm was prepared.

비교예Comparative Example ::

6-well 플레이트에 제 2형폐포상피세포 (TypeII alveolar epithelial cells)에서 유래한 A549 세포를 1.2 ×105 cell/well 의 수로 씨딩하고 TGF-β 처리 없이 36시간 동안 배양하였다.
A549 cells derived from type II alveolar epithelial cells were seeded in a 6-well plate at 1.2 × 10 5 cells / well and cultured for 36 hours without TGF-β treatment.

실험예Experimental Example 1:  One: 폐상피세포의Of lung epithelial cells 씨딩Seed

6-well 플레이트에 제 2형폐포상피세포 (TypeII alveolar epithelial cells)에서 유래한 A549 세포를 1.2 ×105 cell/well 의 수로 씨딩하였다.
A549 cells derived from type II alveolar epithelial cells were seeded in a 6-well plate at a number of 1.2 × 10 5 cells / well.

실험예Experimental Example 2:  2: 폐상피세포의Of lung epithelial cells 배양 culture

미세유체칩의 주입구에 연결된 저수공간 중 왼쪽의 제 1 저수공간에는 배양액을 넣고, 오른쪽 제 2 저수공간에는 형질전환성장인자-베타(TGF-β; 10 ㎍/ml)를 넣고, 진공네트워크 채널과 배출구에 실린지 튜브를 연결하였다. A549 세포가 씨딩되어 있는 6-well 플레이트에 상기 미세유체칩을 부착한 후 진공네트워크 채널에 연결된 실린지 튜브를 감압하여 밀착하고, 이산화탄소 배양기에 넣은 후, 배출구에 연결된 실린지 튜브에 펌프를 연결하여 0.1 μL/ min 유속으로 배양액 및 TGF-β가 함유된 유체를 36 시간 동안 회수하였다.
(TGF-β, 10 μg / ml) was added to the first storage space on the left side of the storage space connected to the inlet of the microfluidic chip and the transforming growth factor-beta A syringe tube was connected to the outlet. After attaching the microfluidic chip to a 6-well plate seeded with A549 cells, the syringe tube connected to the vacuum network channel was depressurized and brought into close contact with a carbon dioxide incubator, and a pump was connected to the syringe tube connected to the outlet The culture medium and the fluid containing TGF-β were recovered at a flow rate of 0.1 μL / min for 36 hours.

그 결과, 미세유체 채널은 TGF-β의 농도에 따른 직선형 농도구배를 형성하였으며, 도 1(b)는 도 1(a)의 미세유체 채널에 점선으로 표시된 영역에 대한 직선형 농도구배 분석 그래프를 나타내었다. 상기 점선으로 표시된 영역을 TGF-β 농도에 따라 7개의 구간으로 구분하였으며, 직선형 농도구배 미세유체칩상에서 TGF-β의 농도를 하기 표 1에 표시하였다.
As a result, the microfluidic channel formed a linear concentration gradient according to the concentration of TGF-β. FIG. 1 (b) shows a linear concentration gradient analysis graph for the area indicated by the dotted line in the microfluidic channel of FIG. . The area indicated by the dotted line was divided into seven sections according to TGF-beta concentration, and the concentration of TGF-beta on a linear gradient gradient microfluidic chip is shown in Table 1 below.

구간
section
BIN 1
(0~200㎛)
BIN 1
(0 to 200 mu m)
BIN 2
(201~300㎛)
BIN 2
(201 to 300 탆)
BIN 3
(301~400㎛)
BIN 3
(301 to 400 탆)
BIN 4
(401~500㎛)
BIN 4
(401 to 500 탆)
BIN 5
(501~600㎛)
BIN 5
(501 to 600 mu m)
BIN 6
(601~700㎛)
BIN 6
(601 to 700 mu m)
BIN 7
(701~1000㎛)
BIN 7
(701 to 1000 탆)
TGF-β의 농도 (ng/ml)The concentration of TGF-? (Ng / ml)
0

0

0.6-1.4

0.6-1.4

1.5-2.8

1.5-2.8

2.9-6.0

2.9-6.0

6.1-8.4

6.1-8.4

8.5-10

8.5-10

10

10

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2형폐포상피세포 (TypeII alveolar epithelial cells)에서 유래한 A549 세포의 증식을 보여주는 이미지로, 도 2(a)의 왼쪽은 유체를 흘려주기 전 배양된 세포 이미지이다. TGF-β 존재 유무에 따른 폐 상피세포의 증식을 확인하기 위하여, 6-well 플레이트에 제 2형폐포상피세포 (TypeII alveolar epithelial cells)에서 유래한 A549 세포를 1.2 ×105 cell/well 의 수로 씨딩한 후, 실험군으로 TGF-β를 첨가하고, 대조군으로 TGF-β를 첨가하지 않은 채 36 시간 동안 A549 세포를 배양하였다. 도 2(a)의 오른쪽 상단은 TGF-β를 처리하지 않은 유체를 36 시간 흘려준 6-well 플레이트 상의 A549 세포 이미지이고, 오른쪽 하단은 TGF-β를 처리한 유체를 36 시간 흘려준 6-well 플레이트 상의 A549 세포 이미지이다. 그 결과 TGF-β를 처리한 샘플에서 A549 세포의 형태가 길어졌음을 확인하였다. 도 2(b)는 상기 도 1의 점선으로 표시된 영역에 대한 직선형 농도구배 미세유체칩상에서 배양된 A549 세포의 이미지이며, TGF-β를 처리한 유체를 36 시간 흘려준 결과, TGF-β의 농도에 비례하여 A549 세포가 증식되었음을 확인하였다. FIG. 2 is an image showing the proliferation of A549 cells derived from type II alveolar epithelial cells according to an embodiment of the present invention. In FIG. 2 (a), the left side of FIG. 2 (a) It is a cell image. In order to determine the proliferation of lung epithelial cells in accordance with the TGF-β presence, 6-well type II alveolar epithelial cells (TypeII alveolar epithelial cells) by A549 cells to 1.2 × 10 5 seeded in cell / well number derived from the plate After that, TGF-β was added as an experimental group and A549 cells were cultured for 36 hours without TGF-β as a control. 2 (a) shows the A549 cell image on a 6-well plate in which a fluid not treated with TGF-β was flown for 36 hours, and the lower right side shows a 6-well A549 cell image on plate. As a result, it was confirmed that the shape of A549 cells was prolonged in the sample treated with TGF-β. FIG. 2 (b) is an image of A549 cells cultured on a linear gradient gradient microfluidic chip for the area indicated by the dotted line in FIG. 1. As a result of flowing the TGF-β-treated fluid for 36 hours, the concentration of TGF- And the proliferation of A549 cells was confirmed.

도 3은 A549 세포의 증식의 정량분석을 나타낸 그래프로, 도 3(a)는 6-well 플레이트 상에서 A549 세포의 증식을 나타낸 그래프이며, 도 3(b)는 직선형 농도구배 미세유체칩 상에서 A549 세포의 증식을 나타낸 그래프이다.
FIG. 3 is a graph showing quantitative analysis of proliferation of A549 cells. FIG. 3 (a) is a graph showing the proliferation of A549 cells on a 6-well plate, Lt; / RTI &gt;

실험예Experimental Example 3: 배양된  3: cultured 폐상피세포의Of lung epithelial cells 분석 analysis

직선형 농도구배 미세유체칩에서 TGF-β에 36 시간 동안 의존적으로 자극받은 세포들을 면역세포화학 (immunocytochemistry) 방법으로 분석하기 위하여, 진공을 풀은 뒤 서서히 미세유체칩을 벗겨낸 후, 4% 파라포름알데히드로 15 분간 반응시켜 세포를 박제시키고, 불필요한 바인딩을 제거하기 위하여 1% 보바인 세럼 알부민 (Bovine serum albumin)이 함유된 PBS (phosphate buffered saline)에 넣고 30분간 실온에서 반응시켰다. 반응이 완료된 미세유체칩에 1% anti-α-SMA antibody를 붙이고, 4℃ 에서 16 시간 동안 반응시키고, PBS로 세척해 준 다음, Alexa Fluor 594 anti-rabbit lgG인 2차 항체와 DAPI를 각각 반응시켰다.
In order to analyze immunocytochemistry of cells stimulated by TGF-β for 36 hours in a linear gradient gradient microfluidic chip, the microfluidic chip was slowly peeled off after vacuum release, and then 4% paraformaldehyde The cells were incubated with aldehyde for 15 minutes. The cells were stained and the cells were incubated in PBS (phosphate buffered saline) containing 1% bovine serum albumin for 30 minutes at room temperature to remove unnecessary binding. The reaction was completed by adding 1% anti-α-SMA antibody to the microfluidic chip and reacting at 4 ° C for 16 hours. After washing with PBS, Alexa Fluor 594 anti-rabbit IgG secondary antibody and DAPI were reacted .

도 4는 A549 세포에서 α-SMA 단백질 발현을 보여주는 이미지이다. 도 4(a)는 6-well 플레이트 상에서의 α-SMA 단백질 발현이미지로, TGF-β를 처리한 샘플에서 α-SMA 단백질 발현되어 붉은색 형광이 증가하였고, 도 4(b)는 직선형 농도구배 미세유체칩 상에서의 alpha-smooth muscle actin (α-SMA) 단백질 발현이미지로, TGF-β를 처리한 유체를 36 시간 흘려준 후 TGF-β의 농도에 비례하여 세포의 형태가 길어지고 α-SMA 단백질 발현이 증가되는 것을 확인하였다.
Fig. 4 is an image showing the expression of? -SMA protein in A549 cells. Fig. 4 (a) is a? -SMA protein expression image on a 6-well plate. In a sample treated with TGF-?, The? -SMA protein was expressed to increase red fluorescence. Fig. 4 Α-smooth muscle actin (α-SMA) protein expression on a microfluidic chip showed that the cell shape was prolonged in proportion to the concentration of TGF-β after 36 hours of fluid treatment with TGF-β, Protein expression was increased.

실험예Experimental Example 4:  4: 웨스턴Western 블롯Blot 분석 analysis

6-well 플레이트에 제 2형폐포상피세포 (TypeII alveolar epithelial cells)에서 유래한 A549 세포를 1.2 ×105 cell/well 의 수로 씨딩하고, 세포에 TGF-β를 농도별로 처리하여 36 시간 동안 배양한 후, 비멘틴 및 이카드헤린 항체를 사용하여 웨스턴 블롯 분석을 하였다.
A549 cells derived from type II alveolar epithelial cells were seeded in a 6-well plate at a number of 1.2 × 10 5 cells / well, and the cells were treated with TGF-β at different concentrations and cultured for 36 hours , Followed by western blot analysis using vimentin and icadherin antibodies.

도 5는 A549 세포의 편극 (Polarization) 정량분석 결과이다. 도 5(a)는 6-well 플레이트 상에서 TGF-β 존재의 유무에 따른 세포의 편극 비율을 나타낸 그래프이며, 도 5(b)는 직선형 농도구배 미세유체칩상에서 TGF-β의 농도에 따른 세포의 편극비율을 나타낸 그래프로, TGF-β의 농도에 비례하여 편극이 증가되었음을 확인하였다. 도 5(c)는 36 시간 동안 TGF-β 처리에 따른 웨스턴 블롯 분석 (western blot analysis)을 나타낸 이미지이며, 이카드헤린(E-cadherin)과 비멘틴(vimentin) 의 발현이 증가하는 것을 확인하였으며, 이러한 현상은 TGF-β가 EMT 유도를 촉진시킨다는 것을 의미한다. Figure 5 shows the result of quantitative analysis of Polarization of A549 cells. FIG. 5 (a) is a graph showing the polarization ratio of cells with or without TGF-β on a 6-well plate, and FIG. 5 As a graph showing the polarization ratio, it was confirmed that the polarization was increased in proportion to the concentration of TGF-β. FIG. 5 (c) is an image showing western blot analysis according to TGF-β treatment for 36 hours. It was confirmed that the expression of E-cadherin and vimentin was increased, This phenomenon means that TGF-β promotes EMT induction.

이를 통해 TGF-β의 농도 비례에 따라 세포의 편극이 증가하였으며, TGF-β에 의한 EMT가 유도될 때 상피세포의 특이적 표지자인 이카드헤린은 감소되고, 동시에 중간엽세포의 특지적 표지자인 α-SMA 단백질 및 비멘틴의 발현이 증가되는 것을 확인하였으며, 이러한 직선형 진공네트워크 채널을 구비한 농도구배 미세유체칩은 일반 well 플레이트 표면에 탈부착이 가능하며, 미세유체칩에 직접 세포를 주입하지 않아도 세포를 배양할 수 있고, 세포의 거동을 분석할 수 있으므로, 폐상피세포의 거동과 기능을 분석하는데 있어서 유용한 도구로 사용될 것이라는 것을 확인하였다.
These results suggest that TGF-β induces apoptosis by increasing the concentration of TGF-β. When EMT induced by TGF-β is induced, the specific marker of epithelial cells, icadherin, decreases and at the same time, -SMA protein and visentin. The concentration gradient microfluidic chip with such a linear vacuum network channel can be attached to and detached from the surface of a well plate, And it can be used as a useful tool for analyzing the behavior and function of lung epithelial cells.

Claims (12)

배양액을 포함하는 유체가 주입되는 제 1 주입구; 형질전환 성장인자를 포함하는 유체가 주입되는 제 2 주입구; 상기 제 1 주입구 및 상기 제 2 주입구에 각각 연결되어 유체를 저장할 수 있는 두 개의 저수공간; 상기 형질전환 성장인자를 포함하는 유체 및 상기 배양액을 포함하는 유체가 배출되는 배출구; 일단이 상기 제 1 주입구 및 상기 제 2 주입구와 연결되고, 타단이 유체가 배출되는 배출구와 연결되며, 상기 형질전환 성장인자를 포함하는 유체 및 상기 배양액을 포함하는 유체가 관통하고, 채널의 형태가 굴곡이 없는 직선형이며, 폭이 0.7 내지 1.3 mm이고, 길이는 4 내지 6 mm 인 미세유체 채널; 및 상기 미세유체 채널을 세포가 배양된 플레이트에 감압을 통해 압착시키기 위하여 상기 미세유체 채널의 주변에 형성되는 진공네트워크 채널;을 포함하는 미세유체칩을 이용하고,
1) 폐상피세포를 플레이트에 배양하는 단계;
2) 상기 플레이트에 상기 미세유체칩을 올려두고 상기 진공네트워크 채널을 감압시켜 미세유체칩을 플레이트에 압착시키는 단계; 및
3) 상기 플레이트에 압착된 미세유체칩을 배양기에 넣고, 상기 미세유체칩의 미세유체 채널에 형질전환성장인자를 포함하는 유체 및 배양액을 포함하는 유체를 흘려주면서 폐상피세포를 중간엽세포로 이행 유도하도록 배양하는 단계;를 포함하고,
상기 미세유체 채널 내부의 농도구배 형성 및 배양되는 세포의 전단응력 조절을 위하여, 배출구에 연결된 실린지 펌프를 통해 미세유체 채널에 형질전환 성장인자를 포함하는 유체 및 배양액을 포함하는 유체의 유속을 0.13 내지 0.17 ㎕/분으로 조절하는 것을 특징으로 하는 미세유체칩을 이용한 폐상피세포의 중간엽세포 이행 유도 확인방법.
A first injection port into which a fluid containing a culture liquid is injected; A second injection port into which a fluid containing a transformation growth factor is injected; Two water storage spaces connected to the first inlet and the second inlet, respectively, for storing the fluid; An outlet through which a fluid containing the transforming growth factor and a fluid containing the culture liquid are discharged; A fluid containing the transforming growth factor and a fluid including the culture liquid are passed through the channel, and the shape of the channel is A microfluidic channel of straight, unbroken, width 0.7 to 1.3 mm and length 4 to 6 mm; And a vacuum network channel formed around the microfluidic channel for compressing the microfluidic channel through a reduced pressure on a plate on which cells have been cultivated,
1) culturing lung epithelial cells on a plate;
2) placing the microfluidic chip on the plate and depressurizing the vacuum network channel to compress the microfluidic chip on the plate; And
3) A microfluidic chip compressed on the plate is introduced into an incubator, and a fluid containing a transforming growth factor and a culture fluid is flowed into a microfluidic channel of the microfluidic chip, and the lung epithelial cells are transferred to mesenchymal cells And culturing the cells to induce the cells,
In order to form a concentration gradient inside the microfluidic channel and to control the shear stress of the cultured cells, the flow rate of the fluid including the transforming growth factor and the culture fluid in the microfluidic channel through the syringe pump connected to the outlet is set to 0.13 To 0.17 쨉 l / min. The method for confirming the induction of mesenchymal cell migration of lung epithelial cells using the microfluidic chip.
삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 감압은 상기 진공네트워크 채널에 연결된 실린지 펌프를 통해 감압하는 것을 특징으로 하는 미세유체칩을 이용한 폐상피세포의 중간엽세포 이행 유도 확인방법.2. The method of claim 1, wherein the reduced pressure is reduced through a syringe pump connected to the vacuum network channel. 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 저수공간에 저장되는 유체의 양은 350 내지 550 ㎕인 것을 특징으로 하는 미세유체칩을 이용한 폐상피세포의 중간엽세포 이행 유도 확인방법.
2. The method according to claim 1, wherein the amount of fluid stored in the water storage space is 350 to 550 占 퐇.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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